巖土工程中計算機技術(shù)的應(yīng)用概述

李盛斌 崔保龍

（延安大學(xué)建筑學(xué)院，陜西延安 716000）

1 巖土工程及計算機技術(shù)概述

1.1 巖土工程概述

巖土工程是歐美國家在上世紀(jì)60年代在土木工程實踐中建立的一種新的技術(shù)體制，它以巖土力學(xué)為理論基礎(chǔ)。作為土木工程的分支，巖土工程主要是利用工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué)等解決巖石和土的問題，按照工程建設(shè)來分主要有：巖土工程勘察、巖土工程設(shè)計、巖土工程治理、巖土工程監(jiān)測、巖土工程檢測。巖土工程的主要研究方向有以下三種：城市地下空間和地下工程、邊坡和基坑工程、地基與基礎(chǔ)工程。城市地下空間及地下工程主要以地下空間為主體，研究地下空間在開發(fā)利用過程中遇到的各種巖石土體問題，邊坡和基坑工程主要研究基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，地基模型的建立，地基處理技術(shù)及受力分析的研究。

1.2 計算機技術(shù)概述

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)開始在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著計算機可視化技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測信息等更清晰明了。能夠提高有限元應(yīng)用的可靠度和精確度。虛擬技術(shù)的應(yīng)用，他是以現(xiàn)實參數(shù)等各種信息融入到模擬系統(tǒng)中，通過模擬實際施工為工程作出判斷依據(jù)。多媒體仿真技術(shù)是采用不同媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息，將系統(tǒng)的行為與數(shù)學(xué)模型以及在時空中表現(xiàn)有機的結(jié)合起來進行建模。隨著計算機軟件的不斷開發(fā)應(yīng)用，眾多的計算機技術(shù)開始在巖土工程中應(yīng)用。

隨著巖土工程的不斷發(fā)展，其在內(nèi)容上更全面，在控制要求上更嚴(yán)格，為了做好巖土工程的設(shè)計、處理、計算必須要結(jié)合迅速發(fā)展的計算機技術(shù)，現(xiàn)代的計算機技術(shù)在巖土工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 巖土工程計算軟件

巖土工程主要以巖石土體為研究對象，是理論實踐都很強的新型綜合學(xué)科。它包括前期勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測、工程管理等各個階段。隨著計算機技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，其在模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、承載力計算中不斷應(yīng)用分析。另外各種計算方法如土體穩(wěn)定分析、有限元分析、極限數(shù)值法都被引入到巖土工程領(lǐng)域，除了巖土工程中常被使用的繪圖軟件Autocad，結(jié)構(gòu)分析經(jīng)常使用的ansys 等有限元分析軟件外，還包括離散單元法、不連續(xù)變形分析方法、流行元法等，隨著科技的進步，更多更實用的工程軟件被開發(fā)出來，并在工程的各個階段充當(dāng)這重要的角色。下面我們根據(jù)工程階段的劃分詳細(xì)介紹一些常見的巖土工程軟件，工程施工通常包括勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測、工程管理等步驟。

2.1 巖土工程勘察

計算機技術(shù)在巖土工程勘察領(lǐng)域的應(yīng)用較廣，種類繁多。在野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、編寫勘察報告、實驗數(shù)據(jù)的處理等各個方面具有軟件適用。例如對于各種類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這些設(shè)備一般具有體積小、操作簡單、收工作環(huán)境影響小等特點，在采集完數(shù)據(jù)后一般能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時儲存。另外有的軟件還能實現(xiàn)人機交互，在采集完數(shù)據(jù)后依靠數(shù)據(jù)接口導(dǎo)出監(jiān)測結(jié)果，數(shù)據(jù)整理。如國內(nèi)開發(fā)并廣泛使用的華巖的巖土工程勘察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、正的工程地質(zhì)勘察CAD。

在進行巖土工程實驗時，實驗的項目及操作規(guī)程要按照《土工實驗規(guī)程》、《公路土工實驗規(guī)程》、《鐵路工程土工實驗方法》的規(guī)定，但是長期以來比較規(guī)范的實驗軟件一直沒有出現(xiàn)，近年來國內(nèi)了開發(fā)的HNTGCS.HYST200 以及國外的GDSLAB 和GEOCEL 軟件不但操作簡單，而且很容易對實驗過程進行控制，并能夠自動分析實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出實驗結(jié)果。這些軟件還能夠按照不同的工程領(lǐng)域采用相應(yīng)的計算公式、實驗指標(biāo)、實驗報表格式等。

對于勘察數(shù)據(jù)我們一般不僅僅希望用來解決某個項目，應(yīng)該把這些工程地質(zhì)信息集中起來，進行管理，建立起某個地區(qū)地質(zhì)信息庫，的為工程建設(shè)者提供更好的決策依據(jù)。因此地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem 簡稱G1S)應(yīng)該是未來巖土工程勘察的一個重點發(fā)展方向，國外在這方面的研究已經(jīng)取得了不錯的成績。

2.2 巖土工程設(shè)計

巖土工程設(shè)計軟件包括基礎(chǔ)設(shè)計、樁基設(shè)計、沉降分析、滲流分析等。目前常用的基礎(chǔ)設(shè)計軟件有基礎(chǔ)CAD 設(shè)計軟件、BEARCAP、BCAP 等軟件，BCAP 軟件可以依靠概率函數(shù)選擇合適的土體參數(shù)，可以估算圓形矩形等各種形狀的承受各向力的基礎(chǔ)形式。

國內(nèi)常用的樁基礎(chǔ)設(shè)計軟件是Pile2000 等。在國外常用的單樁設(shè)計軟件是PILE，DEFPIG 軟件常用來設(shè)計160 根樁以內(nèi)的樁基，PC-PGROUP 軟件能設(shè)計超過200 根樁基的情況，其主要依靠邊界元原理進行設(shè)計。

對于邊坡穩(wěn)定性分析的軟件在國內(nèi)外也較多，如KZTeBro3.1、GBSLOPE、Slipcircle-1Plus 等，他們都能解決復(fù)雜的地層分布、復(fù)雜的受力條件、復(fù)雜的邊界條件以及不規(guī)則破壞等問題。這些邊坡穩(wěn)定分析類的軟件大多是基于極限平衡分析的垂直條分法，滑移線法等

2.3 巖土工程施工

在施工過程中，要對工程的地質(zhì)信息、工程信息進行全面的測量，根據(jù)測量的結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計施工，這種方式被認(rèn)為是合理的實用的控制手段，在隧道和基坑施工中已有廣泛的應(yīng)用。

日本在隧道的階段施工中，應(yīng)用較多的是3D-有限元分析軟件，該軟件可以模擬各個類型的開挖方式，包括全斷面開挖、上下分布臺階開挖、左右分析臺階開挖和四分布開挖等。通過對不同開挖方式的模擬分析對比，可以得出相應(yīng)開挖方式的應(yīng)力變形等。柜內(nèi)的灰色理論正在逐步的發(fā)展應(yīng)用。利用灰色系統(tǒng)可以建立經(jīng)驗預(yù)報模型。通過施工過程中的采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行處理加工。這種施工方法能解決地質(zhì)資料不全、設(shè)計不妥當(dāng)?shù)仍斐傻恼`差，特別是適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、施工困難，施工質(zhì)量要求較高的隧道施工。

2.4 巖土工程檢(驗)(監(jiān))測

目前自動檢測系統(tǒng)已經(jīng)在土木工程的各個領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，在巖土工程的邊坡監(jiān)測、深基坑監(jiān)測等都有所涉及。自動檢測系統(tǒng)能夠降低由于設(shè)計不足帶來的損失，對于在建工程或者是已經(jīng)竣工的工程都能做出檢測，通過檢測的實時數(shù)據(jù)能夠及時的發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)措施。

深基坑開挖監(jiān)測軟件JKJCV3.0 在巖土工程處理分析功能強大，能同時處理深層側(cè)移、豎向位移、水平位移、地下水位、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土壓力等6 種工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且能在各種系統(tǒng)下運行。該軟件功能強大，還能進行深層側(cè)移監(jiān)測、豎向位移監(jiān)測分析、地下水位監(jiān)測分析和土壓力監(jiān)測分析，通過測斜儀、電子水準(zhǔn)儀、全站儀等測試各種工程參數(shù)，依靠該軟件依據(jù)實測結(jié)果進行分析處理，該軟件能夠準(zhǔn)確分析各種數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)曲線及表格，并且把數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時的反饋到項目管理處，為施工管理者提供各種依據(jù)

在樁基檢測領(lǐng)域，發(fā)展應(yīng)用比較好的是美國G.G.Goble 教授和Frank.Rausche 博士創(chuàng)立的應(yīng)力波理論和PDA 高應(yīng)變樁基動測實驗，并研究出了相應(yīng)的計算軟件，該軟件經(jīng)過多年的工程實踐表明是一款經(jīng)濟實用檢測高效準(zhǔn)確的檢測方式，同時他的實時監(jiān)測功能能夠給施工人員提供第一手的資料，另外該軟件還能夠計算殘余應(yīng)力，計算樁端阻力等，該軟件還能夠準(zhǔn)確的描述樁基受力分布，準(zhǔn)確的計算樁身的應(yīng)力大小。

現(xiàn)在許多檢測儀器里面都嵌套系統(tǒng)，這樣可以及時的對采集的數(shù)據(jù)進行分析加工轉(zhuǎn)化，使整個測量工作及時有效的傳遞數(shù)據(jù)信息，幫助決策者更好的對監(jiān)控工作做出應(yīng)對。

2.5 巖土工程管理

巖土工程管理服務(wù)于整個巖土工程項目，包括單位的事務(wù)管理、項目管理、文檔數(shù)據(jù)管理等。單位事務(wù)管理相關(guān)的軟件種類繁多如辦公自動化軟件，財務(wù)管理軟件等，這些軟件都能快速高效的服務(wù)于工程項目。項目管理信息系統(tǒng)是利用計算機軟件服務(wù)整個項目管理，具體包括以下幾個控制模塊：工程施工進度控制模塊，財務(wù)控制模塊、質(zhì)量控制模塊等，對整個項目的推進起到實時控制的作用，并且準(zhǔn)確記錄各種模塊數(shù)據(jù)。巖土工程屬于土木工程的一個分支，和土木工程一樣，整個項目在設(shè)計、施工、監(jiān)控、竣工驗收階段都有大量的設(shè)計文件、修改報告、設(shè)計方案等一大批文件，對于這些文件必須要進行分類處理，建立工程數(shù)據(jù)庫，傳統(tǒng)的檔案管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工程量日益巨大、日益復(fù)雜的工程項目，因此必須依靠計算機技術(shù)實行可視化管理系統(tǒng)。并且可以計算機技術(shù)和檔案管理相結(jié)合的處理方式。

3 計算機技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用展望

（1）可視化技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用，促進了巖土工程分析數(shù)據(jù)、有限元模型的建立、輸出結(jié)果的智能化，使得大量的數(shù)據(jù)結(jié)果以簡單明了的圖表格式來說明問題。

（2）虛擬技術(shù)和多媒體仿真技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，可以對整個項目進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)問題及缺陷及時的通過一定的方法改進，或者對施工方案進行必要的修改。

（3）巖土工程中計算機技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該更加標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化、可視化，應(yīng)該進一步的改進虛擬技術(shù)，通過更直接明了的動畫來掩飾工程項目。

（4）隨著多媒體通訊技術(shù)的發(fā)展，在進行巖土工程設(shè)計時，要開發(fā)出更好的更實用的人機交互軟件，使整個設(shè)計工作更高效更準(zhǔn)確。

（5）巖土工程應(yīng)于計算機技術(shù)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等結(jié)合起來，使對巖土工程的勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)控更智能更高效。

4 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，巖土工程軟件得到了突飛猛進的發(fā)展，巖土工程軟件包括工程建設(shè)的各個階段，對巖土工程的勘察設(shè)計、工程項目設(shè)計、工程項目管理都有重要的作用，我們還可以針對當(dāng)前的工程實際，及時對軟件進行優(yōu)化，開發(fā)使用新的計算機軟件。使計算機軟件能更好的服務(wù)巖土工程項目。

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