巖土工程計(jì)算原理和方法

1、巖土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和存儲(chǔ)能力的飛速發(fā)展以及計(jì)算方法的日益完善，數(shù)值模擬方法 已經(jīng)成為研究未知領(lǐng)域的強(qiáng)有力的工具。在巖土工程計(jì)算與分析中數(shù)值計(jì)算原理與方法也發(fā) 展很快。特別是有限元的發(fā)展，促進(jìn)了巖土工程研究、工程預(yù)測(cè)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)等的發(fā)展。但在工程實(shí)際中使用數(shù)值計(jì)算原理與方法卻存在一些問題：例如有些人因缺乏 對(duì)有限元和工程性質(zhì)的深入了解，而有限元的迅速發(fā)展給他們?cè)斐梢环N假象，認(rèn)為它是萬能 的，可以處理幾乎所有的巖土工程問題；同時(shí)他們又被有限元計(jì)算結(jié)果的精度所迷惑，不了 解這些精確結(jié)果后面所隱藏的不確定性，也不了解這些數(shù)值方法所采用本構(gòu)模型的局限性以 及相

2、應(yīng)參數(shù)的不確定性;因這些不確定性導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算原理與方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況和 實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相差很大，又由于部分人計(jì)算偏于保守，使得巖土工程師難以接受現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算原 理與方法。巖土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法也具有兩面性。有些人偏向于用其進(jìn)行巖土工程的分析計(jì)算的原因在于：數(shù)值計(jì)算原理與方法能夠做任何傳統(tǒng)的分析方法所能做到的分析與計(jì)算，而且做得 更多、更好。數(shù)值計(jì)算原理與方法能夠給出復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的解。因而能夠從機(jī)理上預(yù)測(cè)工程性質(zhì)， 而不是統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)性的描述，這是一大優(yōu)點(diǎn)；而簡(jiǎn)化或經(jīng)驗(yàn)分析方法有時(shí)只能描述其表面或 形式上(統(tǒng)計(jì))的關(guān)系，缺乏物理機(jī)制的描述和探討。該方法既能處理簡(jiǎn)單問題，也能處理復(fù)雜問題。數(shù)值計(jì)

3、算原理與方法難以被其他人接受的原因在于：使用復(fù)雜，難以被很好的掌握。數(shù)值計(jì)算原理與方法本身的不確定性(指與精確的解析方法相比所產(chǎn)生的不確定性， 特別是在巖土動(dòng)力非線性問題中這種不確定性會(huì)很為導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際不符。數(shù)值計(jì)算原理與方法所使用的物理模型或本構(gòu)模型有局限性，難以反映實(shí)際情況， 導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際不符。采用復(fù)雜模型要求較多的參數(shù)，而這些參數(shù)難以用簡(jiǎn)單試驗(yàn)獲得。既然數(shù)值計(jì)算原理與方法和傳統(tǒng)的分析方法都具有很大的不確定性，還不如采用傳 統(tǒng)的分析方法，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法簡(jiǎn)單、實(shí)用。精確的數(shù)值分析結(jié)果會(huì)誤導(dǎo)使用者迷信這些結(jié)果的精確性，而沒有認(rèn)識(shí)到其后面隱 藏的不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故。巖

4、土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法中存在的問題到目前為止，研究計(jì)算工程的文章很多，但真正用于實(shí)際工程的數(shù)值計(jì)算原理與方法(例 如有限元法等)卻較少。部分原因在于有較多不成功應(yīng)用的實(shí)例。為什么會(huì)有這種情況，原 因是多方面的，下面列出幾條僅供參考：對(duì)巖土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法缺乏系統(tǒng)的知識(shí)和深入的理解，出現(xiàn)問題時(shí)不知道 在什么情況下屬于理論問題或數(shù)學(xué)模型問題;在什么情況下是屬于計(jì)算方法問題或本構(gòu)模型 問題；在什么情況下是參數(shù)的確定問題或計(jì)算本身的問題等。各種本構(gòu)模型固有的局限性。具有多相性土的物理力學(xué)性質(zhì)太復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地用 數(shù)學(xué)模型和本構(gòu)模型描述。例如鄧肯一張模型不能反映剪脹性，不能反映壓縮與剪切的交叉

5、影響；模型只能考慮硬化，不能反映軟化；模型不能反映各向異性。劍橋模型也僅能考慮硬 化而不能反映軟化，不能反映土的剪切膨脹和各向異性，不能用于超固結(jié)土等?，F(xiàn)有的試驗(yàn)手段和設(shè)備不能提供適當(dāng)、合理和精確的參數(shù)?？可贁?shù)樣本點(diǎn)所獲得的 參數(shù)難以準(zhǔn)確地描述整個(gè)空間場(chǎng)地的物理力學(xué)性能；土的參數(shù)因土樣擾動(dòng)難以高質(zhì)量的獲 取，其精度很差。有些模型要求較多的參數(shù)，但這些參數(shù)用常規(guī)的試驗(yàn)手段和設(shè)備難以獲取 等。巖土工程中如何應(yīng)用精確的數(shù)學(xué)模型和本構(gòu)模型是一個(gè)值得注意的問題。在一般結(jié)構(gòu)分 析中，因材料的力學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)單、均勻，不確定性較小，一般采用較精確的數(shù)學(xué)模型會(huì)得到較 精確的分析結(jié)果。但就土這種材料而言，因其不確定性

6、非常大，其情況發(fā)生了很大的變化。 眾所周知，場(chǎng)地土性及其參數(shù)勘察結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性是很差的，由此導(dǎo)致既使采用了很精 確的數(shù)學(xué)模型，但因輸入?yún)?shù)的精度不能與之相匹配，其計(jì)算結(jié)果同樣會(huì)很差。采用精確的 數(shù)學(xué)模型還會(huì)給人造成一種錯(cuò)覺，讓人覺得其計(jì)算結(jié)果也一定會(huì)更好、更可靠。這樣可能使 人們忽略了精確的數(shù)學(xué)公式也照樣會(huì)有出錯(cuò)的可能性。只有當(dāng)輸入?yún)?shù)的質(zhì)量和精度很高， 并能與數(shù)學(xué)模型的精度相匹配時(shí)，才有可能得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。這里需要注意的是， 計(jì)算模型還要能正確地反映土工問題的實(shí)際情況。正確使用數(shù)值計(jì)算原理與方法的要求正確地使用數(shù)值計(jì)算原理與方法，要求使用者具有系統(tǒng)深入的理論知識(shí)以及在實(shí)際工程 中

7、具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)和技巧。在工程實(shí)踐中正確、有效地使用數(shù)值計(jì)算原理與方法的基本 要求如下：對(duì)從事研究工程的性質(zhì)和數(shù)值計(jì)算原理與方法有系統(tǒng)的知識(shí)和深入的理解，具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)和工程判斷能力。知道各種本構(gòu)模型的局限性以及各種參數(shù)的不確定性和其局限性。了解各種試驗(yàn)所能提供的參數(shù)及其可用性和粗糙性。只有這樣，才能選擇恰當(dāng)?shù)?、工程?yīng)用所需要的模型與 參數(shù)。熟知分析軟件，并有使用這些軟件的工程經(jīng)驗(yàn)以及工程判斷能力。這種工程經(jīng)驗(yàn)是 經(jīng)過多年反復(fù)的數(shù)值分析預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的分析對(duì)比后積累起來的。解決問題的措施要使巖土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法成為真正有效地解決實(shí)際工程問題的工具，可采用以 下一些措施：加強(qiáng)對(duì)土的本構(gòu)模型的教學(xué)與培訓(xùn)，了解和掌握各種土的本構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)和局限性 以及模型參數(shù)的離散性。在使用數(shù)值計(jì)算原理與方法的同時(shí)，不斷地積累使用經(jīng)驗(yàn)，包括他人的經(jīng)驗(yàn)。在豐富的使用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的使用規(guī)范。開發(fā)和研制更多、更好的儀器設(shè)備，以提供更加準(zhǔn)確、合理、可用的參數(shù)。結(jié)語(yǔ)20世紀(jì)60年代以后，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展使巖土工程數(shù)值計(jì)算原理與方法得到 不斷發(fā)展和完善，并用于巖土工程實(shí)踐。