對巖土工程數值分析的幾點思考

王 鵬 張光輝

（河南省煤田地質局物探測量隊，河南 鄭州 450009）

1 巖體工程數值分析的關鍵問題

在實際的巖土工程數值分析中，人們常常用簡化之后的物理模型來解決復雜的工程問題，然后再將其轉化成數學問題，利用數學方法來解決這些問題。例如：飽和軟黏土地基出現大面積沉降問題，就可以通過轉化成太沙基一維固結物理模型，然后再轉化成固結方程來求解。在實際運用中，連續介質力學模型一直得到廣泛的使用，連續介質力學模型主要包括以下幾種方程：首先是運動微分方程，這種方程式分為動力和靜力兩種形式；其次是幾何方程，幾何方程包括小應變分析和大應變分析兩種，分別用于不同的實際分析；還有一種是本構方程，又稱力學本構方程，一般用于力學問題的測算。

在實際操作中，具體的過程問題可以依據所得到的邊界條件以及初始條件來解答，但是對于那些較為復雜的工程問題，往往需要采用數值分析法。當一個工程涉及到多種方程問題時，往往就需要使用連續力學模型來解決，這時所用的運動微分方程和幾何方程基本上是相等的，但是本構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，當材料為線性彈性體時，本構方程就發生了變化，轉化為廣義的胡克定律。

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

通過以上內容可以看出，多相體與單相體相比，主要多出了有效力方程和連續方程，此外在本構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題時，基本方程中的運動微分方程、有效力原理、連續方程和幾何方程的表達式基本相同，但本構方程卻與前幾種有著較大的差異。當涉及到具體的巖土工程問題時，我們可以根據具體的邊界條件以及相關的初始條件來解決上述問題，所采用的方法一般為數值分析法。通過以上論述我們可以發現，連續介質力學一般都借助數值分析法進行解決，這種方法具有較強的適應性。

2 促進巖土本構理論發展的優化措施

有專家認為，反應作用和效應之間的關系成為本構關系，本構關系涉及面極其廣泛，如力學中的胡克定律、電學中的歐姆定律等。巖土由于生長在大自然中，所以具有以下特征：區域劃分較為明顯，即使是同一個地區的巖土也會有所區別，深度和水平方向上的巖土變化也較為多樣；就目前的技術水平而言，巖土的初始應力很難測定；土往往是多相體，一般具有固液氣三種存在形式，這三相有時很難被區分，并且不同狀態之間還可以相互之間的轉化，這樣的特性給研究增加了難度；一般來說，土體往往具有一定的結構性，結構土樣土質的礦物成分、歷史形成以及環境等因素都息息相關，一些土壤還具有剪脹性等特點。至今為止，科學家已經建立了不少的本構模型，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，總計一百多種，但是真正得到工程師認可并普遍利用的模型較少。從上個世紀起，我國就開始注重對于本構模型的構建，曾經一度達到頂峰的狀態，但是現在又逐漸降到低谷。通過以上分析可知，本構模型主要是通過連續介質力學來解決巖土問題的。

要想促使本構模型取得進一步的發展，需要將本構模型的研究分為兩大類，即科學型模和工程實用型模型。需要注意的是，科學型模型主要用于揭示和反映一些客觀規律，例如土的剪脹性等。對于該模型建立的要求不能過于苛刻，只要其可以揭示一個或幾個客觀規律即可。工程實用型模型需要的不是全面通用，而是簡單并且實用，要能反映出工程建筑中的實際問題，并且抓住問題的主要矛盾，還要注意的就是其參數應該要盡可能的少并且容易測定，這樣的模型更符合實際操作的需要。工程實用型模型構筑的主要目的是使其能夠應用在實際操作之中，國家應當鼓勵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分，對基坑工程、路基工程等有明確的劃定標準，還要區分好土的種類，辨別是粘性土還是沙土等。

3 數值分析在巖土工程中的重要地位

眾所周知，巖土是自然的產物，具有較強的區域性，初始應力也較難預測。在分析巖土工程時，首先需要掌握的就是工程的地質條件，此外還要掌握巖土的工程性質，再者需要掌握的就是力學中一些最為基本的概念，并且能夠在此基礎上利用公式以及數值分析方法來解決問題。在計算時，需要能夠做到因地制宜，要能夠對具體問題做出具體的分析，然后將得出的結論運用到工程建設之中。在實際的巖土分析過程中，數值分析所得出的結果對于工程師的綜合判斷而言是極其重要的。

在實際的操作之中，在對巖土工程的對象進行分析時要做好巖土材料特性的分析工作，還要注意結合巖土工程的初始條件以及邊際條件進行綜合的分析。就目前的巖土分析發展狀況而言，還不能得出具體的解析解，只能適用于定向分析。巖土工程在進行設計時要將重點要放在概念設計上，并且參照巖土工程師的判斷結果，巖土數值分析所得出的結果也是巖土分析的關鍵參數。

以上對于巖土工程數值的幾點思考只是初步的研究，相信經過眾學者的討論之后還可以有更加深刻的見解。巖土工程數值對于巖土施工而言至關重要，對于整個建筑而言也有很大的影響。巖土工程師應該在充分掌握工程地質條件的基礎上利用具體參數計算出設計圖紙，還要結合多種模型來進行分析。在巖土工程數值計算的過程中，需要注意做到因地制宜，善于抓住問題的主要矛盾，并且制定出更多的實用型模型來解決實際問題，要時刻堅持宜簡不宜繁的原則。

[1]龔曉南.21世紀巖土工程發展展望[J].巖土工程學報.2000(02)

[2]鞠海燕,黃紅元,黎劍華,楊偉忠,賀躍光.巖土體結構性本構關系研究[J].中國鎢業.2006(04)