探討巖土工程數(shù)值分析的幾點思考

楊小艷

(廣東省地質局第六地質隊 529040)

探討巖土工程數(shù)值分析的幾點思考

楊小艷

(廣東省地質局第六地質隊 529040)

本課題從我國目前的巖土工程數(shù)值分析現(xiàn)狀的各種的情況的分析，對巖土本構理論和發(fā)展的方向進行研究。巖土工程分析過程的綜合判斷的依據(jù)之一是巖土工程數(shù)值。對于如何建立巖土的工程實用本構方程。建立多個工程實用本構方程結合積累大量工程經驗才能促使數(shù)值方法在巖土工程中由用于定性分析轉變到定量分析。

一、巖土工程分析中的問題

在巖土工程中將物理模型區(qū)描述各種的工程問題，再進一步的轉換成數(shù)學問題，用數(shù)學的問題區(qū)進行數(shù)學的求解。舉一個較為典型的例子，在較為飽和的情況下，這種黏土地基大面積堆載之后，存在的一些作用使得，沉載問題實現(xiàn)簡化，Terzaghi是一種一維固結物理模型，這種固結模型經過轉化再成為一種Terzaghi固結方程，從而得到解。

利用連續(xù)介質力學模型來求解工程問題主要有一下的幾個步驟：

1、運動微分方程式(包括動力和靜力分析兩大類)；

2、運用幾何方程，該幾何方程分為兩類，一類為小應變分析，一類為大應變分析；

3、構建本構方程，這種方程是屬于力學本均方程。

巖土工程問題在很多問題中，都是屬于十分復雜的問題，這些問題可以通過兩個條件進行選擇，一種是邊界條件，一種是初始條件。在數(shù)值分析的基礎上，對該種方法進行求解和研究，通過連續(xù)介質力學模型的建立，使用不同的本構方程，同時對初始條件以及邊界條件進行整合，而在其中共同的部分是運動微分方程以及幾何方程。在不同的材料使用中，本構方程并不一致。此時，材料屬于線性彈性體，這種方程屬于廣義上的虎克定律。此時巖土材料可以被當做多相體。在一種連續(xù)介質力學，進行模型分析之后，可以對巖土工程問題進行如下介紹，有以下三個方程，第一，運動微分方程式，使用的是動力與靜力兩種方式；第二，總應力是有效應力加上孔隙壓力，又稱之為有效應力原理；第三，運用連續(xù)方程，總體積變化，是各相體積變化的和；第四，幾何方程，屬于小應變分析與大應變分析兩種類別；第五，同時還使用本構方程，這種方程式力學和滲流本構方程。

（二）對巖土工程數(shù)值分析的淺析

Janbu認為，反映作用與效應之間的關系稱為本構關系，力學中的虎克定律，同時還應用到電學中的歐姆定律，同時還應用滲流學中的達西定律，這些都反映其中最為簡單的本構關系。其中巖土是屬于自然、歷史的產物，其中有以下特性，此時表現(xiàn)為土體性質區(qū)域性比較強，即使是處于一個場地或者在同一層的土地中，這種深度以及水平方向都由一定會發(fā)生一定的變化。而且在巖土體中，該種初始應力場，也存在一定的復雜程度，也很難進行預測。其中土屬于多相體，構成成分為固相、液相以及氣體三相等等，而這三種相有時很難區(qū)分。

巖土的應力，其產生的應變關系，以及因應變關系而產生的應力路徑，加荷速率等等，也具有一定的相關性。土還具有剪脹性、各向異性等，因此，巖土體的本構關系十分復雜。到現(xiàn)在為止，人們已經建立了幾種本構模型，這些模型有以下幾種種類，彈性模型、剛塑性模型以及非線性彈性模型等等。對該力學模型進行求解，該問題的關鍵在于能夠對巖土本構方程進行構建，該種構建方式屬于一種巖土本構方程。該種情況能夠面對很多狀況。也是考慮數(shù)值分析在巖土工程分析中的地位時必須重視的現(xiàn)實情。結構工程所用材料多為鋼筋混凝土、鋼材等，材料均勻性好，由此產生的誤差小，而巖土工程材料為巖土，均勻性差，由此產生的誤差大。在幾何模擬方面，結構工程中一般初始應力小，某些特殊情況，如鋼結構焊接熱應力，影響范圍?。粠r土工程中巖土體中初始應力大且測定難，對數(shù)值分析影響大，特別對非線性分析影響更大。結構工程分析常采用線性本構關系，線性分析誤差小。巖土工程分析常采用非線性本構關系，非線性分析常需要迭代，迭代分析可能產生的誤差大。在結構工程和巖土工程分析中，若邊界條件較復雜，均可能產生較大誤差。相比較而言，多數(shù)結構工程邊界條件不是很復雜，而多數(shù)巖土工程邊界條件復雜。

圖1 巖土工程與結構工程有限分析誤差來源分析表

（三）對巖土工程中的問題的對策

(1)基于對巖土工程分析對象——巖土材料特性的分析，并考慮巖土工程初始條件和邊界條件的復雜性，巖土工程分析很少能得到解析解，而目前巖土工程數(shù)值分析只能用于定性分析。所以，巖土工程設計要重視概念設計，重視巖土工程師的綜合判斷。巖土工程數(shù)值分

（2）自Roscoe和他的學生建立劍橋模型至今已近半個世紀，各國學者已提出數(shù)百個本構方程，但得到工程應用析結果是巖土工程師在巖土工程分析過程中進行綜合判斷的重要依據(jù)之一。

認可的極少，或者說還沒有。從這個角度講采用連續(xù)介質力學模型求解巖土工程問題的關鍵問題是如何建立巖土的工程實用本構方程。

（3）本構模型及參數(shù)測定是巖土工程分析中的關鍵問題，應該考慮巖土工程的類別、土的類型、區(qū)域性的特性直接的影響著本構模型確定了巖土工程的數(shù)值分析的目標。對于本構工程的參數(shù)應該盡可能的少、容易測定、對工程的經驗的積累。這樣的經驗有助于促進巖土工程數(shù)值分析中的定性分析。由定性分析到定量分析的逐步的演化。

結論

在巖土數(shù)值分析工程中對分析的方法的應用，對工程中存在的問題、采取的措施和對策進行總結和分析。從不同的方面的細節(jié)的問題的分析和研究是為了方便巖土工程數(shù)值分析的順利進行。巖土工程數(shù)值分析師一個系統(tǒng)性的工作，每一個細節(jié)性的問題都會影響著工程的進展的情況。所以在各種的基礎之上我們進行全方位的、多層次的研究和分析。這樣能給廣大的工程建設者和使用者提供必要的理論參考和一定的依據(jù)。

[1]劉懷恒,地下工程位移反分析—原理、應用及發(fā)展[J];西安礦業(yè)學院學報;1988年03期

[2]李云鵬,工程巖體力學參數(shù)的模糊選擇[J];西安礦業(yè)學院學報;1993年04期

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1007-6344（2017）01-0300-01