對巖土工程數值分析的幾點思考

牟俊杰

摘 要：文章主要針對巖土工程數值的現狀進行分析，同時借助相應的連續力學來分析出巖土工程當中的關鍵性問題，結合巖土本構理論方面的發展真正提出了極具方向性的思考，最后研究了數值分析在巖土工程分析當中的地位，通過相應的研究結果顯示，巖土工程的數值分析其本身也是巖土工程師在整個分析的過程當中進行綜合性判斷的重要依據。所以，怎樣真正建立其巖土工程當中比較實用的本構方程，就是巖土工程問題當中真正采用連續介質力學模型來對問題進行求解的關鍵性問題，這就必須結合大量的工程經驗積累，以此來促使巖土工程能夠真正從定性的分析直接轉換成定量的分析。

關鍵詞：巖土工程；數值分析；定量分析；思考

中圖分類號：TU452 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0067-02

巖石真正形成的全部過程非常復雜，而且其中也存在著很多裂隙、節理、孔隙還有地下水等，這就直接導致巖體成為了一種由多介質所構成的不連續體。而且由于巖石材料的物理特性和力學特性都非常的復雜，所以要想真正的通過解析手段來對地下洞室、隧道、高速公路以及橋梁基礎和大壩等多種地下結構物的力學動態情況進行分析，就必須要真正建立其一種精度非常高的本構關系方程式。

通常這種本構關系越復雜，那么其所輸入的參數就越多，因此必須要做好針對巖石工程的數值分析工作。

1 巖土工程分析當中的主要問題

在進行巖土工程的分析工作當中，人們通常都會使用一種簡化的物理模型來直接對工程問題加以描述，然后再將這種工程問題直接轉化成數學方面的問題，最后通過數學的方法來將其直接解出。在這其中最典型的例子就是飽和軟粘土地基在經過大面積堆載作用下所產生的沉降問題就直接被簡化成一種固結的物理模型，因此就可以將其轉化成相應的固結方程來求解。這其中所采用的連續介質力學模型的求解工程問題就包括：

①運動微分方程式，這種方程式主要包括動力和靜力這兩種分類。

②幾何方程，這種方程當中就主要包括了大小兩種的應變分析類型。

③本構類方程，這種方程式也被稱為力學本構方程，而對于那些非常具體話的工程問題，就需要嚴格的根據一些具體的邊界條件以及初始類條件來直接求解出以上方程當中的有效答案，不過針對那些非常浮渣的工程問題就需要采用相應的數值分析法來進行求解。

而對不同的工程問題則必須建立起連續介質力學的模型來求解，不過所使用的運動微分方程式以及幾何方程都大致相同，這其中極不相同的還是本構性的方程、邊界條件以及初始條件等等。而如果其中的材料直接為線性彈性體時，那么其本構方程就可以直接定義為廣義上的虎克定律。

將巖土材料直接視為一種多相體，這就可以采用連續介質力學模型來分析，整個分析的過程就主要包括了以下幾種方程：

①運動微分方程式，主要有動力和靜力這兩種。

②總應力方程式，這種總應力通常都是有效應力和孔隙壓力兩種有效應力原理的總和。

③連續性方程，這種方程當中總體積變化都是各個相體積變化的總和。

④幾何類方程，這種方程主要包括了大小應變分析這兩種分類。

⑤本構方程，這種方程其實就是力學和滲流本構方程。通過將單相體和多相體兩者的比較，直接多出2個基本方程的類型，也即是連續方程和有效應力方程，而且這種本構方程當中也直接多出了滲流本構方程。

主要是針對各種不同的巖土工程方面的問題來進行，運用基本方程當中的運動微分方程式、有效應力原理以及連續方程和幾何方程類的表達式都基本相同，最大的不同只是在本構方程方面。針對這種具體巖土工程的問題，就必須要嚴格的根據一些具體的邊界條件以及初始條件來求解出以上方程的答案，通常都會采用連續介質力學模型來分析出其中不同的巖土工程的問題，這其中最大的不同還是本構模型、初始條件和邊界條件等。

2 發展巖土本構論的思考

巖土本構論當中的本構關系也即是反映作用和效應之間的有效關系，其中在力學當中的虎克定律和電學當中的歐姆定律以及在滲流學當中的達西定律等都直接反映出最簡單的本構關系。而這里面的巖土則是歷史和自然方面的有效產物，通常都具有以下特殊的特性：土體性質所具有的的區域性比較強，主要是指即便是在同一個場地和同一層土質當中，相應的沿深度和其水平的方向變化起來都非常的復雜，而且在巖土體當中的初始應力場也相對復雜，并且難以測定。這其中的土是多相體的存在，一般都是由固相、液相以及氣相等三相組合而成，其中土相體當中的三相通常都很難真正將其區分，而且在其真正處于不同的狀態當中時，土的三相互相之間也能夠進行互相的轉化。而在土中水的狀態就顯得非常的復雜了：因為土體本身具有一定的結構性，這和土的礦物成分、形成歷史以及應力的歷史還有在環境條件等多個方面的因素都細細相關，因此其中就顯得十分的復雜。而且土本身所具有的的強度、變形以及滲透的特性等真正測定起來非常的困難。這就必須要重視巖土本身的應力關系，比如應變關系和應力路徑等。所以就需要采用考慮工程的類別、土類以及區域性的特性影響等工程實用本構模型，這就必須要應用連續介質力學的理論來進行，并以此來結合在地區當中的經驗來進行巖土工程數值進行分析，并以此得出其最有可能發展的方向。

3 數值分析在巖土工程分析當中的地位和價值

這就需要從巖土材料的特性、巖土的工程和其結構當中的工程有限元素來進行分析，并對其中的誤差來源進行分析比較，并結合巖土工程的分析方法等三個方面來直接分析出數值分析在巖土工程當中進行分析的主要地位。通過以上研究得知巖土材料本身是自然和歷史發展的產物，因此其所具有的工程特性以及區域性就相對較強，而且在巖土體當中的初始應力場通常都比較復雜且顯得非常難以測定。由于土是一種多相體的存在，所以在土體當中的三相通常都很難真正的區分開來，而且在土和水的狀態互相之間又顯得非常的復雜。

到目前為止，仍然缺乏被工程師們普遍認可的工程實用性本構模型，而且在采用連續介質力學的模型求解當中，巖石工程問題當中的關鍵還是怎樣去建立起工程當中最實用的巖土本構方程，這都是針對目前現狀的反應，同時也是針對數值分析在巖土工程分析當中的地位時所必須要加以重視的主要現實情況。對于巖土工程的分析必須要詳細的掌握工程的地質條件、土力學基本概念以及土的工程性質，還有在工程方面的經驗等。所以在這個基礎上就必須采用相應的經驗公式法、數值分析法還有解析分析法等方式來計算和分析。針對巖土工程的分析過程進行分析，能夠得出巖土工程的數值分析結果其實就是巖土工程師們在巖土工程分析過程當中所進行綜合性判斷的主要依據。所以巖土工程數值分析主要還是應用于復雜的巖土工程問題方面進行定性分析。

4 結 語

綜上所述，對于巖土工程數值分析的思考仍處于初步的研究階段，不過巖土工程數值分析工作對于巖土施工來說至關重要，這是不言而喻的，甚至對整個建筑都將直接產生巨大的影響，因此對巖土工程數值分析進行研究和思考具有深遠意義。

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