淺談巖土工程的數值分析

王忠

摘要：巖土工程數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依據，它對把握整體巖石工程來說是非常重要的。本文主要結合我國巖土工程數值分析的現狀展開討論，并給出一定的發展措施。

關鍵詞：巖土工程；數值分析；措施

中圖分類號：O241 文獻標識碼：A

巖土工程分析里的關鍵

通常情況下，在實際進行巖土工程數值分析的過程中，人們往往是要用簡化以后的物理模型去解決比較復雜的工程問題，之后在將其轉化為與數學相關的問題，然后在利用數學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大面積的沉降問題，就可以通過將其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。可以知道，在實際的運用中，續介質力學模型受到了廣泛的應用，連續介質力學模型主要包括以下幾種方程：一個是運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變分析和大應變分析兩種情況，并且它們分別用于不同的實際分析過程中；最后一種是本構方程，也叫做力學本構方程，這種一般是用于力學問題的測算等方面。

在實際的操作過程中，具體的問題還要根據所得到的邊界條件或者是初始化條件進行解答，但是對于那些比較復雜的工程問題來說，這就需要采用數值分析的方法。也就是當一項工程會涉及到很多種方程問題的時候，這就需要用連續力學模型來解決，這時所用到的運動微分方程和幾何方程基本上都是相等的，但是本構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，本構方程就發生了變化，進而轉化成廣義的胡克定律。

一般來說，巖土材料都是多相體的，因此在采用連續介質力學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，本構方程主要包括力學和滲流本兩種。

通過以上的內容，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方程，另外在本構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、運動微分方程、連續方程和幾何方程的表達式基本是相同的，但是本構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，我們應該根據具體的邊界條件或者相關的初始條件進行解決可能遇到的問題，這樣所采用的方法通常就是數值分析法。通過上面的介紹，我們可以發現，連續介質力學通常都是借助于數值分析的方法進行解決的，并且這種方法具有非常好的適應性。

巖土工程數值分析的現狀

眾所周知，由于巖土是自然的產物，通常具有很強的區域性，它的初始應力是很難能預測到的。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條件，另外還要掌握巖土的工程性質，重要是的掌握力學中的一些比較基本的概念，并且能夠在此基礎上利用公式以及數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，能夠對具體的問題做出具體的分析，然后將得到的結論運用到工程建設中去。在實際的巖土分析過程中，數值分析所得到的結果對于工程師的綜合判斷是相當重要的。在實際的操作過程中，對巖土工程的對象進行分析時，應該做好巖土材料特性的分析，還應該注意結合巖土工程的初始條件和邊際條件進行綜合的分析。針對目前的巖土工程數值分析的現狀來說，我國的巖土工程的數值分析現狀有以下幾點：

（1）難以解決又無法回避，是本構模型及它的參數測定在巖土工程分析里的重要特點。前面已經提到：通過建立涉及到區域性特性影響、土類和工程類別的各類特點，是巖土工程數值分析和發展利用工程實用本構模型的側重方向。工程實用本構模型具有易于測定、參數應用比較少、有利積累工程經驗等多個優點。通過大量的工程經驗的積累，以及建立多個工程實用本構模型的有效結合，一定能極大促成巖土工程分析里巖土工程數值分析的研究應用，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，多國學者提出過多版本的本構方程，但在實際中極少應用。這個現象反映了怎樣建立巖土的工程使用本構方程，當之無愧成為采用連續介質力學模型解答巖土工程問題的關鍵所在；

（3）在了解土的工程性質基礎之上，充分掌握、有效分析工程地質資料，通過合理物理數學模型的采用，再運用多類方法進行科學地計算與分析，結合多類工程經驗進行綜合性判斷，從而提出設計的依據，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，為研究學科的發展和進步做出自己的貢獻

（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上對巖土工程的數值進行分析。這些特點要求巖土工程設計師們，在工程設計階段就要重視概念的設計，重視綜合判斷，因為分析結果很大程度成為分析過程中綜合判斷的重點依據來源。

巖土工程數值分析的發展措施

巖土工程數值分析的有關專家表示，在反應作用和效應之間的關系稱之為本構關系，本構關系設計到的范圍比較廣，比如力學中的胡克定律和電學中的歐姆定律等。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的巖土也會有一定的區別，它們的區域劃分比較明顯，而且深度和水平方向上的巖土變化也比較多樣化；拿目前的技術水平來說，巖土的初始應力很難測定到，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分開來的，并且他們之間在不同的狀態間還能相互進行轉化，這樣就給研究學者帶來了一定的難度。一般來說，土體都是有一定的結構性的，并且結構土樣土質的礦物質、環境以及歷史形成等因素都是有關系的，有的土壤還有剪脹性的特點。到目前為止，科學家們已經建立了很多本構模型，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可并且還能普遍利用的模型是很少的。我國在對本構模型的構建方面，曾經有過高峰期狀態，但是現在又開始滑入到低谷中。通過以上的分析可以知道，本構模型主要是通過連續介質力學來解決巖土的問題的。

為了使本構模型能取得更好的發展，我們可以將本構模型的研究分為兩大類，通常是科學型模和工程實用型模型。需要注意的是，科學型的模型主要用于揭示和反映一些客觀的規律，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格，只要能夠保證揭示出一個或者幾個客觀的規律就可以。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用到實際的操作過程中，國家應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分工程的類別，對對基坑工程、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。

結束語

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

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