對(duì)巖土工程數(shù)值分析的幾點(diǎn)思考

王 鵬 張光輝

（河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，河南 鄭州 450009）

1 巖體工程數(shù)值分析的關(guān)鍵問(wèn)題

在實(shí)際的巖土工程數(shù)值分析中，人們常常用簡(jiǎn)化之后的物理模型來(lái)解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，然后再將其轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)方法來(lái)解決這些問(wèn)題。例如：飽和軟黏土地基出現(xiàn)大面積沉降問(wèn)題，就可以通過(guò)轉(zhuǎn)化成太沙基一維固結(jié)物理模型，然后再轉(zhuǎn)化成固結(jié)方程來(lái)求解。在實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型一直得到廣泛的使用，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型主要包括以下幾種方程：首先是運(yùn)動(dòng)微分方程，這種方程式分為動(dòng)力和靜力兩種形式；其次是幾何方程，幾何方程包括小應(yīng)變分析和大應(yīng)變分析兩種，分別用于不同的實(shí)際分析；還有一種是本構(gòu)方程，又稱力學(xué)本構(gòu)方程，一般用于力學(xué)問(wèn)題的測(cè)算。

在實(shí)際操作中，具體的過(guò)程問(wèn)題可以依據(jù)所得到的邊界條件以及初始條件來(lái)解答，但是對(duì)于那些較為復(fù)雜的工程問(wèn)題，往往需要采用數(shù)值分析法。當(dāng)一個(gè)工程涉及到多種方程問(wèn)題時(shí)，往往就需要使用連續(xù)力學(xué)模型來(lái)解決，這時(shí)所用的運(yùn)動(dòng)微分方程和幾何方程基本上是相等的，但是本構(gòu)方程以及邊界條件和初始條件往往是不同的。特別需要注意的就是，當(dāng)材料為線性彈性體時(shí)，本構(gòu)方程就發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)化為廣義的胡克定律。

一般的巖土材料往往是多相體的，所以在采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型分析這些問(wèn)題時(shí)，需要包括以下幾種方程：第一種是運(yùn)動(dòng)微分方程，該方程同樣分為動(dòng)力和靜力兩種形式；第二種是有效力原理，在這個(gè)原理之中，總效力是有效應(yīng)力和孔隙壓力之和；第三種是幾何方程，幾何方程包括小應(yīng)變分析和大應(yīng)變分析兩種；最后一種就是本構(gòu)方程，本構(gòu)方程包括力學(xué)和滲流本兩種。

通過(guò)以上內(nèi)容可以看出，多相體與單相體相比，主要多出了有效力方程和連續(xù)方程，此外在本構(gòu)方程中還多出了滲流本方程。但是在解決不同的巖土工程問(wèn)題時(shí)，基本方程中的運(yùn)動(dòng)微分方程、有效力原理、連續(xù)方程和幾何方程的表達(dá)式基本相同，但本構(gòu)方程卻與前幾種有著較大的差異。當(dāng)涉及到具體的巖土工程問(wèn)題時(shí)，我們可以根據(jù)具體的邊界條件以及相關(guān)的初始條件來(lái)解決上述問(wèn)題，所采用的方法一般為數(shù)值分析法。通過(guò)以上論述我們可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)一般都借助數(shù)值分析法進(jìn)行解決，這種方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 促進(jìn)巖土本構(gòu)理論發(fā)展的優(yōu)化措施

有專家認(rèn)為，反應(yīng)作用和效應(yīng)之間的關(guān)系成為本構(gòu)關(guān)系，本構(gòu)關(guān)系涉及面極其廣泛，如力學(xué)中的胡克定律、電學(xué)中的歐姆定律等。巖土由于生長(zhǎng)在大自然中，所以具有以下特征：區(qū)域劃分較為明顯，即使是同一個(gè)地區(qū)的巖土也會(huì)有所區(qū)別，深度和水平方向上的巖土變化也較為多樣；就目前的技術(shù)水平而言，巖土的初始應(yīng)力很難測(cè)定；土往往是多相體，一般具有固液氣三種存在形式，這三相有時(shí)很難被區(qū)分，并且不同狀態(tài)之間還可以相互之間的轉(zhuǎn)化，這樣的特性給研究增加了難度；一般來(lái)說(shuō)，土體往往具有一定的結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)土樣土質(zhì)的礦物成分、歷史形成以及環(huán)境等因素都息息相關(guān)，一些土壤還具有剪脹性等特點(diǎn)。至今為止，科學(xué)家已經(jīng)建立了不少的本構(gòu)模型，其中主要包括彈性模型、鋼塑性模型、非線性彈性模型、彈塑性模型等，總計(jì)一百多種，但是真正得到工程師認(rèn)可并普遍利用的模型較少。從上個(gè)世紀(jì)起，我國(guó)就開(kāi)始注重對(duì)于本構(gòu)模型的構(gòu)建，曾經(jīng)一度達(dá)到頂峰的狀態(tài)，但是現(xiàn)在又逐漸降到低谷。通過(guò)以上分析可知，本構(gòu)模型主要是通過(guò)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來(lái)解決巖土問(wèn)題的。

要想促使本構(gòu)模型取得進(jìn)一步的發(fā)展，需要將本構(gòu)模型的研究分為兩大類，即科學(xué)型模和工程實(shí)用型模型。需要注意的是，科學(xué)型模型主要用于揭示和反映一些客觀規(guī)律，例如土的剪脹性等。對(duì)于該模型建立的要求不能過(guò)于苛刻，只要其可以揭示一個(gè)或幾個(gè)客觀規(guī)律即可。工程實(shí)用型模型需要的不是全面通用，而是簡(jiǎn)單并且實(shí)用，要能反映出工程建筑中的實(shí)際問(wèn)題，并且抓住問(wèn)題的主要矛盾，還要注意的就是其參數(shù)應(yīng)該要盡可能的少并且容易測(cè)定，這樣的模型更符合實(shí)際操作的需要。工程實(shí)用型模型構(gòu)筑的主要目的是使其能夠應(yīng)用在實(shí)際操作之中，國(guó)家應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)更多的人才投入到該研究之中。除此之外還需要注意在研究中注意工程類別的區(qū)分，對(duì)基坑工程、路基工程等有明確的劃定標(biāo)準(zhǔn)，還要區(qū)分好土的種類，辨別是粘性土還是沙土等。

3 數(shù)值分析在巖土工程中的重要地位

眾所周知，巖土是自然的產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的區(qū)域性，初始應(yīng)力也較難預(yù)測(cè)。在分析巖土工程時(shí)，首先需要掌握的就是工程的地質(zhì)條件，此外還要掌握巖土的工程性質(zhì)，再者需要掌握的就是力學(xué)中一些最為基本的概念，并且能夠在此基礎(chǔ)上利用公式以及數(shù)值分析方法來(lái)解決問(wèn)題。在計(jì)算時(shí)，需要能夠做到因地制宜，要能夠?qū)唧w問(wèn)題做出具體的分析，然后將得出的結(jié)論運(yùn)用到工程建設(shè)之中。在實(shí)際的巖土分析過(guò)程中，數(shù)值分析所得出的結(jié)果對(duì)于工程師的綜合判斷而言是極其重要的。

在實(shí)際的操作之中，在對(duì)巖土工程的對(duì)象進(jìn)行分析時(shí)要做好巖土材料特性的分析工作，還要注意結(jié)合巖土工程的初始條件以及邊際條件進(jìn)行綜合的分析。就目前的巖土分析發(fā)展?fàn)顩r而言，還不能得出具體的解析解，只能適用于定向分析。巖土工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要將重點(diǎn)要放在概念設(shè)計(jì)上，并且參照巖土工程師的判斷結(jié)果，巖土數(shù)值分析所得出的結(jié)果也是巖土分析的關(guān)鍵參數(shù)。

以上對(duì)于巖土工程數(shù)值的幾點(diǎn)思考只是初步的研究，相信經(jīng)過(guò)眾學(xué)者的討論之后還可以有更加深刻的見(jiàn)解。巖土工程數(shù)值對(duì)于巖土施工而言至關(guān)重要，對(duì)于整個(gè)建筑而言也有很大的影響。巖土工程師應(yīng)該在充分掌握工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上利用具體參數(shù)計(jì)算出設(shè)計(jì)圖紙，還要結(jié)合多種模型來(lái)進(jìn)行分析。在巖土工程數(shù)值計(jì)算的過(guò)程中，需要注意做到因地制宜，善于抓住問(wèn)題的主要矛盾，并且制定出更多的實(shí)用型模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，要時(shí)刻堅(jiān)持宜簡(jiǎn)不宜繁的原則。

[1]龔曉南.21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學(xué)報(bào).2000(02)

[2]鞠海燕,黃紅元,黎劍華,楊偉忠,賀躍光.巖土體結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系研究[J].中國(guó)鎢業(yè).2006(04)