淺談巖土工程的數(shù)值分析

王忠

摘要：巖土工程數(shù)值分析是巖土工程師在巖土工程分析的過程中綜合判斷的重點(diǎn)依據(jù)，它對把握整體巖石工程來說是非常重要的。本文主要結(jié)合我國巖土工程數(shù)值分析的現(xiàn)狀展開討論，并給出一定的發(fā)展措施。

關(guān)鍵詞：巖土工程；數(shù)值分析；措施

中圖分類號：O241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

巖土工程分析里的關(guān)鍵

通常情況下，在實際進(jìn)行巖土工程數(shù)值分析的過程中，人們往往是要用簡化以后的物理模型去解決比較復(fù)雜的工程問題，之后在將其轉(zhuǎn)化為與數(shù)學(xué)相關(guān)的問題，然后在利用數(shù)學(xué)的方法來解決這些問題。比如，在飽和的軟黏土地基中如果出現(xiàn)大面積的沉降問題，就可以通過將其轉(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)方程來求解?？梢灾?，在實際的運(yùn)用中，續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型受到了廣泛的應(yīng)用，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型主要包括以下幾種方程：一個是運(yùn)動微分方程這種方程主要有動力和靜力兩種方式；一個是幾何方程，這個幾何方程主要是分為小應(yīng)變分析和大應(yīng)變分析兩種情況，并且它們分別用于不同的實際分析過程中；最后一種是本構(gòu)方程，也叫做力學(xué)本構(gòu)方程，這種一般是用于力學(xué)問題的測算等方面。

在實際的操作過程中，具體的問題還要根據(jù)所得到的邊界條件或者是初始化條件進(jìn)行解答，但是對于那些比較復(fù)雜的工程問題來說，這就需要采用數(shù)值分析的方法。也就是當(dāng)一項工程會涉及到很多種方程問題的時候，這就需要用連續(xù)力學(xué)模型來解決，這時所用到的運(yùn)動微分方程和幾何方程基本上都是相等的，但是本構(gòu)方程以及邊界條件和初始條件通常是不一樣的。而且需要特別注意的是，如果材料是線性彈性體時，本構(gòu)方程就發(fā)生了變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成廣義的胡克定律。

一般來說，巖土材料都是多相體的，因此在采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型來分析這些問題的時候，通常會包括以下幾種方程：一種是運(yùn)動微分方程，這個方程同樣是分為動力和靜力兩種形式；一種是有效力原理，而且在這個原理中，總效力往往是有效應(yīng)力和孔隙壓力之和；第三種是幾何方程，幾何方程主要包括小應(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)方程主要包括力學(xué)和滲流本兩種。

通過以上的內(nèi)容，我們可以看出，多相體和單相體相比較的話，主要是多出了有效力方程和連續(xù)方程，另外在本構(gòu)方程中又多出了滲流本方程。但是在解決不同的巖土工程問題時，基本方程中的有效力原理、運(yùn)動微分方程、連續(xù)方程和幾何方程的表達(dá)式基本是相同的，但是本構(gòu)方程和前面幾種有很大的差別。如果涉及到具體的巖土工程問題時，我們應(yīng)該根據(jù)具體的邊界條件或者相關(guān)的初始條件進(jìn)行解決可能遇到的問題，這樣所采用的方法通常就是數(shù)值分析法。通過上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)通常都是借助于數(shù)值分析的方法進(jìn)行解決的，并且這種方法具有非常好的適應(yīng)性。

巖土工程數(shù)值分析的現(xiàn)狀

眾所周知，由于巖土是自然的產(chǎn)物，通常具有很強(qiáng)的區(qū)域性，它的初始應(yīng)力是很難能預(yù)測到的。在分析巖土工程的過程中，首先需要掌握的就是工程的地質(zhì)條件，另外還要掌握巖土的工程性質(zhì)，重要是的掌握力學(xué)中的一些比較基本的概念，并且能夠在此基礎(chǔ)上利用公式以及數(shù)值的分析方法來解決問題。在計算的過程中，需要能夠做到因地制宜，能夠?qū)唧w的問題做出具體的分析，然后將得到的結(jié)論運(yùn)用到工程建設(shè)中去。在實際的巖土分析過程中，數(shù)值分析所得到的結(jié)果對于工程師的綜合判斷是相當(dāng)重要的。在實際的操作過程中，對巖土工程的對象進(jìn)行分析時，應(yīng)該做好巖土材料特性的分析，還應(yīng)該注意結(jié)合巖土工程的初始條件和邊際條件進(jìn)行綜合的分析。針對目前的巖土工程數(shù)值分析的現(xiàn)狀來說，我國的巖土工程的數(shù)值分析現(xiàn)狀有以下幾點(diǎn)：

（1）難以解決又無法回避，是本構(gòu)模型及它的參數(shù)測定在巖土工程分析里的重要特點(diǎn)。前面已經(jīng)提到：通過建立涉及到區(qū)域性特性影響、土類和工程類別的各類特點(diǎn)，是巖土工程數(shù)值分析和發(fā)展利用工程實用本構(gòu)模型的側(cè)重方向。工程實用本構(gòu)模型具有易于測定、參數(shù)應(yīng)用比較少、有利積累工程經(jīng)驗等多個優(yōu)點(diǎn)。通過大量的工程經(jīng)驗的積累，以及建立多個工程實用本構(gòu)模型的有效結(jié)合，一定能極大促成巖土工程分析里巖土工程數(shù)值分析的研究應(yīng)用，最終由只能用于定性分析逐步過渡到能用于定量分析。

（2）自從劍橋模型確立至今，多國學(xué)者提出過多版本的本構(gòu)方程，但在實際中極少應(yīng)用。這個現(xiàn)象反映了怎樣建立巖土的工程使用本構(gòu)方程，當(dāng)之無愧成為采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型解答巖土工程問題的關(guān)鍵所在；

（3）在了解土的工程性質(zhì)基礎(chǔ)之上，充分掌握、有效分析工程地質(zhì)資料，通過合理物理數(shù)學(xué)模型的采用，再運(yùn)用多類方法進(jìn)行科學(xué)地計算與分析，結(jié)合多類工程經(jīng)驗進(jìn)行綜合性判斷，從而提出設(shè)計的依據(jù)，這是對巖土工程師的要求，在巖土工程分析計算中，本著因地制宜的原則，來有效深入開展自己的工作，為研究學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步做出自己的貢獻(xiàn)

（4）考慮到對巖土工程分析對象的巖土材料特性的掌握和分析，同時巖土工程的邊界條件和廚師條件都非常復(fù)雜，巖土工程的分析幾乎沒有能夠得到有效解析。目前的實際情況是，只能在定性分析的基礎(chǔ)上對巖土工程的數(shù)值進(jìn)行分析。這些特點(diǎn)要求巖土工程設(shè)計師們，在工程設(shè)計階段就要重視概念的設(shè)計，重視綜合判斷，因為分析結(jié)果很大程度成為分析過程中綜合判斷的重點(diǎn)依據(jù)來源。

巖土工程數(shù)值分析的發(fā)展措施

巖土工程數(shù)值分析的有關(guān)專家表示，在反應(yīng)作用和效應(yīng)之間的關(guān)系稱之為本構(gòu)關(guān)系，本構(gòu)關(guān)系設(shè)計到的范圍比較廣，比如力學(xué)中的胡克定律和電學(xué)中的歐姆定律等。由于巖土生長在大自然中，因為它一般具有以下幾個特征：即使是在同一個地區(qū)的巖土也會有一定的區(qū)別，它們的區(qū)域劃分比較明顯，而且深度和水平方向上的巖土變化也比較多樣化；拿目前的技術(shù)水平來說，巖土的初始應(yīng)力很難測定到，巖土往往是多相體的，具有固體、液體、氣體三種存在形式，這三種形式有時是很難區(qū)分開來的，并且他們之間在不同的狀態(tài)間還能相互進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這樣就給研究學(xué)者帶來了一定的難度。一般來說，土體都是有一定的結(jié)構(gòu)性的，并且結(jié)構(gòu)土樣土質(zhì)的礦物質(zhì)、環(huán)境以及歷史形成等因素都是有關(guān)系的，有的土壤還有剪脹性的特點(diǎn)。到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)建立了很多本構(gòu)模型，其中主要包括非線性彈性模型、彈塑性模型、彈性模型、鋼塑性模型等，總計有一百多種，但是真正能夠得到工程師們認(rèn)可并且還能普遍利用的模型是很少的。我國在對本構(gòu)模型的構(gòu)建方面，曾經(jīng)有過高峰期狀態(tài)，但是現(xiàn)在又開始滑入到低谷中。通過以上的分析可以知道，本構(gòu)模型主要是通過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來解決巖土的問題的。

為了使本構(gòu)模型能取得更好的發(fā)展，我們可以將本構(gòu)模型的研究分為兩大類，通常是科學(xué)型模和工程實用型模型。需要注意的是，科學(xué)型的模型主要用于揭示和反映一些客觀的規(guī)律，比如土的剪脹性等。而對于這種模型的建立要求不能過于嚴(yán)格，只要能夠保證揭示出一個或者幾個客觀的規(guī)律就可以。工程的實用型模型需要的并不是全面的通用，而是簡單并且實用，重要的是能夠反映出工程建筑中的實際問題，然后抓住問題的主要矛盾，將其參數(shù)能盡可能少以免容易測定，這樣的話更能符合實際的操作需要。工程實用型模型建筑的主要目的是使它能夠應(yīng)用到實際的操作過程中，國家應(yīng)該鼓勵更多的人投入到該項研究中去。另外，還要注意在研究中區(qū)分工程的類別，對對基坑工程、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。

結(jié)束語

綜上所述，關(guān)于巖土工程數(shù)值分析的幾點(diǎn)思考只是初步的研究，相信在經(jīng)過眾多學(xué)者的討論以后還能有更加深刻的見解。巖土工程數(shù)值分析對于巖土施工來說是相當(dāng)重要的，它會影響整個建筑的發(fā)展。所以，巖土工程師們應(yīng)該結(jié)合多種模型來進(jìn)行分析，并在充分掌握了工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上能夠利用具體的參數(shù)計算出設(shè)計圖紙。另外，在巖土工程數(shù)值計算的過程中，還需要做到因地制宜，能夠抓住問題的主要矛盾，根據(jù)實際情況制定出更過的實用性模型，但是應(yīng)該時刻堅持宜簡不宜繁的原則。

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