用新思路看沿巖土工程的發展

張翼

【摘要】巖土工程學是土木工程的分支，是運用工程地質學、土力學、巖石力學解決各類工程中關于巖石、土的工程技術問題的科學。現代的巖土工程研究重視地質過程機制分析、強調巖土與工程相結合，定性分析與定量評價相結合，傳統與現代的統一。在系統分析中，從“宏觀”到“微觀”，又從“微觀”拓展到“宏觀”進行概化，以指導實踐，從而產生巖土工程的新思維與新方法。

【關鍵詞】巖土工程；測試；分析；不確定問題

Development of rock and soil engineering with new ideas

Zhang Yi

（Yunnan Province Nonferrous Geological Survey and Design Institute Foundation CompanyKunmingYunnan650051）

【Abstract】Geotechnical engineering is a branch of civil engineering， is the use of engineering geology， soil mechanics， rock mechanics to solve all kinds of projects on rock， soil engineering science and technology issues. Modern geotechnical engineering studies attach importance to geological process mechanism analysis， emphasizing the combination of geotechnical and engineering， qualitative analysis and quantitative evaluation of the combination of traditional and modern unification. In the system analysis， from "macro" to "micro"， and from "micro" to "macro" to generalize， to guide practice， resulting in geotechnical engineering new thinking and new methods.

【Key words】Geotechnical engineering；Testing； Analysis；Uncertainty

巖土工程研究的對象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個地質歷史過程中，經受了各種復雜的地質作用，因而有著復雜的結構和地應力場環境。而不同地區的不同類型的巖體，由于經歷的地質作用過程不同，其工程性質往往具有很大的差別。巖石出露地表后，經過風化作用而形成土，它們或留存在原地，或經過風、水及冰川的剝蝕和搬運作用在異地沉積形成土層。在各地質時期各地區的風化環境、搬運和沉積的動力學條件均存在差異性，因此土體不僅工程性質復雜而且其性質的區域性和個性很強。

1. 測試技術

1.1原位測試技術。

隨著巖土工程的興起，原位測試設備和技術不斷發展和更新。在土基方面，除了靜力觸探、圓錐動力觸探、標準貫入試驗等外，深基靜載、高壓旁壓、自鉆旁壓儀等在較大深度以下測定地基巖土體承載力、變形參數成為當今原位測試的主要方向。高精度壓力傳感器和位移傳感器的引入，使測試儀器的性能有了較好的改善。由于應用計算機技術對數據、圖形、信息采集、分析判別完全程序化、規范化，因而達到高效、準確的目的。在巖基方面，巖體現場變形、抗剪、應力測試繼續廣泛應用，并向小型化、自動化控制方向發展，但總的來講，這方面的試驗仍然耗資大，時間長。

1.2物探測試技術。

物探技術在巖土工程中的應用十分普遍，新技術也層出不窮。主要有層析成像（CT）技術、電磁波透視、淺層地震、地質雷達、聲納剖面、瞬變電磁法等。應當指出，層析成像（CT）技術近年來發展很快，CT技術包括地震波層析成像和電磁波、聲波層析成像兩種，這種方法具有很高的分辨率。

1.3巖體結構面網絡模擬技術。

（1）巖體是一種不連續介質，巖體發育的各種不同成因的結構面分布極為復雜。人們在工程現場選擇有代表性地段，實地量測各類結構面（斷層、裂隙、層面）的幾何參數（走向、傾斜、傾角、隙寬、間距等），然后輸入計算機，進行統計模擬。可應用蒙特卡洛方法按已知的概率密度函數抽樣，從而得出與實際分布函數相似的人工隨機變量，據此進行特征計算和分布類型檢驗。所有結構面結合起來即構成了巖體結構面網絡圖像，全部過程由計算機完成。

（2）由于結構面網絡反映了巖體的介質特性，所以這一技術有廣泛的用途。可以直接計算結構面連通率、巖石質量RQD值、損傷張量、分形維數和滲透張量等，以用于邊坡和壩基的穩定分析。近年來又發展了隨機不連續面三維網絡計算機模擬新技術，以求取不連續面三維空間基本參數。

2. 分析方法

2.1數值分析。

（1）在巖土力學的數值分析中，有限元法、邊界元法仍然是主要方法，但已向隨機有限元、模糊有限元方向發展。近年來又出現了神經元網絡技術用于巖石力學，神經元網絡是80年代后期迅速發展起來的人工智能的一個分支。它是在現代神經科學研究的基礎上提出來的反映人類腦動能的一種模型。它由樹突、軸突和突觸組成。如已知若干組輸入數據，亦已知其最終輸出結果，利用機器學習來調整各單元之間的權值，使之能最佳適應已知諸例的結論。神經元網絡用于預測巖石力學特性的最大優點是，可以把有關地質因素，即便是描述性因素也可以做為變量輸入，但其輸出結果離散性較小，其用法與回歸分析和經驗公式類似，但程序不同。

（2）以極限平衡法進行邊坡穩定分析有新的進展，主要是把滑動的二維問題變為三維問題，考慮每一條塊的測向壓力、地下水動、靜壓力及地震力的作用。另外，也有人從整體邊坡破壞機理入手，直接求出邊坡安全系數，省去了試求或優化滑動面的過程，較好地解決了復雜邊坡的穩定分析問題。

2.2本構模型研究。

（1）在經典土力學中沉降計算將土體視為彈性體，采用布西奈斯克公式求解附加應力，而穩定分析則將土體視為剛塑性體，采用極限平衡法分析。但實際工程土的應力-應變關系是很復雜的，具有非線性、彈性、塑性、粘性、剪脹性、各向異性等等，同時，應力路徑、強度發揮度、以及巖土的狀態、組成、結構、溫度等均對其有影響。

（2） 開展巖土的本構模型研究可以從兩個方向努力：一是努力建立用于解決實際工程問題的實用模型；一是為了建立能進一步反映某些巖土體應力應變特性的理論模型。理論模型包括各類彈性模型、彈塑性模型、粘彈性模型、粘彈塑性模型、內時模型和損傷模型，以及結構性模型等。它們應能較好反映巖土的某種或幾種變形特性，是建立工程實用模型的基礎。工程實用模型應是為某地區巖土、某類巖土工程問題建立的本構模型，它應能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進行工程計算分析，可以獲得工程建設所需精度的滿意的分析結果。

（3）在以往本構模型研究中不少學者只重視本構方程的建立，而不重視模型參數測定和選用研究，也不重視本構模型的驗證工作。在以后的研究中特別要重視模型參數測定和選用，重視本構模型驗證以及推廣應用研究。只有這樣，才能更好為工程建設服務。

2.3巖土工程的不確定性問題。

2.3.1巖土體是一種變異性很大的工程材料或工程介質。因此，很難用確定的量來描述巖土體的各種性質。巖土工程中的不確定性主要來自下列3個方面：（1）巖土體本身固有的不均勻性——巖體從建造到改造的過程中，由于物質分異、構造作用、斷層裂隙的生成所引起；（2）勘察取樣和參數估計的隨機性——邊界條件不準、測試技術誤差及取樣數量不足所引起；（3）模型誤差導致的不確定性——物理力學模型和計算方法的不準確或多解性所引起。

2.3.2巖土工程的不確定性導致了當前巖土體測試技術的精密性、確定性和巖土體性狀宏觀判斷的模糊性、隨機性之間產生極大的矛盾，使人們對傳統的定值法設計得出的安全系數能否表達工程的真實安全度產生了凝問，這就是目前巖土分析與評價難以滿足工程要求的主要原因。

2.3.3當前，應用于巖土體不確定性分析的理論主要有概率論、模糊論、灰色系統理論及分數維理論（分形幾何）等。

2.3.4概率理論是處理巖土體不確性問題的一個有效工具，它可以指導隨機參數的取樣和試驗設計，建立巖體工程概率模型和計算破壞概率，可以評價工程的可靠性和風險度，進行優化設計和決策。

2.3.5模糊理論在巖土工程中的應用已較普遍，它用隸屬函數代替確定論中非此即彼的特征函數來描述那些邊界不清的過渡性問題。模糊模式識別和綜合評判理論對那些受多因素影響的問題，如巖體環境評價、巖體分類、強度預報等顯示出廣闊的應用前景。

2.3.6灰色系統理論研究事物的“灰度”、“灰數”、“灰關系”等特征，在社會科學和自然科學的各個領域得到了廣泛的應用。在巖土工程中，可應用灰色系統理論進行巖體分類，采用灰色建模進行滑坡發生時間的預報和地下水位預報；利用灰關聯度分析原理確定影響巖土工程穩定性的主次關系等。

2.3.7分數維理論是近十幾年發展起來的熱門科學。應用分數維理論，可以對巖體中不規則的雜亂無章的裂隙系統的幾何特征進行描述。

3. 結束語：經過幾十年的發展，巖土工程學在我國國民經濟建設中發揮了重要作用，但在整體上仍是一門年輕學科，我們既要發展新理論、新方法，用以指導實踐，又要大力加強基礎工作，尤其是要重視地質第一性資料的收集。要加強勘探、測試設備小型化、輕便化、自動化、多樣化的開發試驗，加速定量化進程，加強與工程密切結合的機理研究，不斷博采眾長、發展自己，才能使巖土工程學更好的服務于經濟建設。