對巖土工程數(shù)值分析的幾點思考

牟俊杰

摘 要：文章主要針對巖土工程數(shù)值的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，同時借助相應(yīng)的連續(xù)力學(xué)來分析出巖土工程當(dāng)中的關(guān)鍵性問題，結(jié)合巖土本構(gòu)理論方面的發(fā)展真正提出了極具方向性的思考，最后研究了數(shù)值分析在巖土工程分析當(dāng)中的地位，通過相應(yīng)的研究結(jié)果顯示，巖土工程的數(shù)值分析其本身也是巖土工程師在整個分析的過程當(dāng)中進(jìn)行綜合性判斷的重要依據(jù)。所以，怎樣真正建立其巖土工程當(dāng)中比較實用的本構(gòu)方程，就是巖土工程問題當(dāng)中真正采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型來對問題進(jìn)行求解的關(guān)鍵性問題，這就必須結(jié)合大量的工程經(jīng)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(zhuǎn)換成定量的分析。

關(guān)鍵詞：巖土工程；數(shù)值分析；定量分析；思考

中圖分類號：TU452 文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)雜，而且其中也存在著很多裂隙、節(jié)理、孔隙還有地下水等，這就直接導(dǎo)致巖體成為了一種由多介質(zhì)所構(gòu)成的不連續(xù)體。而且由于巖石材料的物理特性和力學(xué)特性都非常的復(fù)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(chǔ)和大壩等多種地下結(jié)構(gòu)物的力學(xué)動態(tài)情況進(jìn)行分析，就必須要真正建立其一種精度非常高的本構(gòu)關(guān)系方程式。

通常這種本構(gòu)關(guān)系越復(fù)雜，那么其所輸入的參數(shù)就越多，因此必須要做好針對巖石工程的數(shù)值分析工作。

1 巖土工程分析當(dāng)中的主要問題

在進(jìn)行巖土工程的分析工作當(dāng)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(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)方面的問題，最后通過數(shù)學(xué)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(jīng)過大面積堆載作用下所產(chǎn)生的沉降問題就直接被簡化成一種固結(jié)的物理模型，因此就可以將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的固結(jié)方程來求解。這其中所采用的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)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(dāng)中就主要包括了大小兩種的應(yīng)變分析類型。

③本構(gòu)類方程，這種方程式也被稱為力學(xué)本構(gòu)方程，而對于那些非常具體話的工程問題，就需要嚴(yán)格的根據(jù)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(dāng)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(yīng)的數(shù)值分析法來進(jìn)行求解。

而對不同的工程問題則必須建立起連續(xù)介質(zhì)力學(xué)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(gòu)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(gòu)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(xù)介質(zhì)力學(xué)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(yīng)力方程式，這種總應(yīng)力通常都是有效應(yīng)力和孔隙壓力兩種有效應(yīng)力原理的總和。

③連續(xù)性方程，這種方程當(dāng)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(yīng)變分析這兩種分類。

⑤本構(gòu)方程，這種方程其實就是力學(xué)和滲流本構(gòu)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(xù)方程和有效應(yīng)力方程，而且這種本構(gòu)方程當(dāng)中也直接多出了滲流本構(gòu)方程。

主要是針對各種不同的巖土工程方面的問題來進(jìn)行，運用基本方程當(dāng)中的運動微分方程式、有效應(yīng)力原理以及連續(xù)方程和幾何方程類的表達(dá)式都基本相同，最大的不同只是在本構(gòu)方程方面。針對這種具體巖土工程的問題，就必須要嚴(yán)格的根據(jù)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(xù)介質(zhì)力學(xué)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(gòu)模型、初始條件和邊界條件等。

2 發(fā)展巖土本構(gòu)論的思考

巖土本構(gòu)論當(dāng)中的本構(gòu)關(guān)系也即是反映作用和效應(yīng)之間的有效關(guān)系，其中在力學(xué)當(dāng)中的虎克定律和電學(xué)當(dāng)中的歐姆定律以及在滲流學(xué)當(dāng)中的達(dá)西定律等都直接反映出最簡單的本構(gòu)關(guān)系。而這里面的巖土則是歷史和自然方面的有效產(chǎn)物，通常都具有以下特殊的特性：土體性質(zhì)所具有的的區(qū)域性比較強，主要是指即便是在同一個場地和同一層土質(zhì)當(dāng)中，相應(yīng)的沿深度和其水平的方向變化起來都非常的復(fù)雜，而且在巖土體當(dāng)中的初始應(yīng)力場也相對復(fù)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(dāng)中的三相通常都很難真正將其區(qū)分，而且在其真正處于不同的狀態(tài)當(dāng)中時，土的三相互相之間也能夠進(jìn)行互相的轉(zhuǎn)化。而在土中水的狀態(tài)就顯得非常的復(fù)雜了：因為土體本身具有一定的結(jié)構(gòu)性，這和土的礦物成分、形成歷史以及應(yīng)力的歷史還有在環(huán)境條件等多個方面的因素都細(xì)細(xì)相關(guān)，因此其中就顯得十分的復(fù)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(yīng)力關(guān)系，比如應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力路徑等。所以就需要采用考慮工程的類別、土類以及區(qū)域性的特性影響等工程實用本構(gòu)模型，這就必須要應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論來進(jìn)行，并以此來結(jié)合在地區(qū)當(dāng)中的經(jīng)驗來進(jìn)行巖土工程數(shù)值進(jìn)行分析，并以此得出其最有可能發(fā)展的方向。

3 數(shù)值分析在巖土工程分析當(dāng)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(jié)構(gòu)當(dāng)中的工程有限元素來進(jìn)行分析，并對其中的誤差來源進(jìn)行分析比較，并結(jié)合巖土工程的分析方法等三個方面來直接分析出數(shù)值分析在巖土工程當(dāng)中進(jìn)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(fā)展的產(chǎn)物，因此其所具有的工程特性以及區(qū)域性就相對較強，而且在巖土體當(dāng)中的初始應(yīng)力場通常都比較復(fù)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(dāng)中的三相通常都很難真正的區(qū)分開來，而且在土和水的狀態(tài)互相之間又顯得非常的復(fù)雜。

到目前為止，仍然缺乏被工程師們普遍認(rèn)可的工程實用性本構(gòu)模型，而且在采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的模型求解當(dāng)中，巖石工程問題當(dāng)中的關(guān)鍵還是怎樣去建立起工程當(dāng)中最實用的巖土本構(gòu)方程，這都是針對目前現(xiàn)狀的反應(yīng)，同時也是針對數(shù)值分析在巖土工程分析當(dāng)中的地位時所必須要加以重視的主要現(xiàn)實情況。對于巖土工程的分析必須要詳細(xì)的掌握工程的地質(zhì)條件、土力學(xué)基本概念以及土的工程性質(zhì)，還有在工程方面的經(jīng)驗等。所以在這個基礎(chǔ)上就必須采用相應(yīng)的經(jīng)驗公式法、數(shù)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(jìn)行分析，能夠得出巖土工程的數(shù)值分析結(jié)果其實就是巖土工程師們在巖土工程分析過程當(dāng)中所進(jìn)行綜合性判斷的主要依據(jù)。所以巖土工程數(shù)值分析主要還是應(yīng)用于復(fù)雜的巖土工程問題方面進(jìn)行定性分析。

4 結(jié) 語

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

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