摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，巖土工程市場(chǎng)獲得了較快的發(fā)展，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，巖土工程的數(shù)值分析是一項(xiàng)比較繁雜的大工程，一般情況下，要想較好地解決這個(gè)難題，往往需要將物理模型與數(shù)學(xué)解題進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合的方式來進(jìn)行，由于巖土與其它物質(zhì)有著很大的區(qū)別，它是大自然的產(chǎn)物，是固相、氣相與液相的多相體，在不同的狀態(tài)下，其固相、氣相、液相也會(huì)相互轉(zhuǎn)換，因而造成了巖土初始應(yīng)力場(chǎng)很難確定，因此說，對(duì)巖土工程數(shù)值進(jìn)行科學(xué)合理地分析是十分重要的和必要的，本文中筆者將重點(diǎn)針對(duì)巖土工程中數(shù)值分析的問題進(jìn)行分析、探討，并提出相關(guān)見解，希望能對(duì)解決巖土工程中的數(shù)值分析的問題提供一些有益的參考。

關(guān)鍵詞：巖土工程；數(shù)值分析；問題；思考

引 言

巖土工程是土木工程的分支，主要是指土木工程中涉及巖石、土、地下、水中的部分，我國(guó)的巖土工程力學(xué)發(fā)展距今已經(jīng)有40多年的時(shí)間，在巖土工程力學(xué)變形計(jì)算中，土地常常被看作是彈性體；而在穩(wěn)定分析中，土地則被看作是鋼塑性體，但是由于變形計(jì)算和穩(wěn)定分析是兩種截然不同的關(guān)系，為了能夠?qū)煞N不同的關(guān)系有機(jī)地聯(lián)系起來，一些專家學(xué)者們?cè)噲D建立現(xiàn)代士力學(xué)，并計(jì)劃使用統(tǒng)一的應(yīng)力—應(yīng)變-強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，要想實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，就離不開巖土力學(xué)數(shù)值分析理論的發(fā)展，因而巖土工程數(shù)值分析問題受到了專家學(xué)者的普遍重視。

1、巖土工程數(shù)值分析中要注意的關(guān)鍵問題

在巖土工程數(shù)值分析的實(shí)際過程中，人們往往喜歡用簡(jiǎn)化后的物理模型來解決比較復(fù)雜的工程問題，然后再將其轉(zhuǎn)變成熟悉的數(shù)學(xué)問題，最后利用數(shù)學(xué)解題的方法來解決數(shù)值分析難題。在實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型應(yīng)用最為廣泛，主要包含以下幾種方程：（1）運(yùn)動(dòng)微分方程，主要分為動(dòng)力和靜力兩種形式；（2）幾何方程，主要包含小應(yīng)變分析和大應(yīng)變分析，應(yīng)用于不同的實(shí)際分析；（3）本構(gòu)方程，主要用于力學(xué)問題的測(cè)算。

巖土是大自然長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的產(chǎn)物，巖土工程的分析也是一項(xiàng)復(fù)雜的大工程，為了能夠獲得科學(xué)合理的巖土數(shù)據(jù)，在實(shí)際操作中，就需要使用不同的方式，如果建立連續(xù)介質(zhì)學(xué)模型后，那么在求解時(shí)，應(yīng)建立好木構(gòu)方程、包含小應(yīng)變分析與大應(yīng)變分析的幾何方程、包含動(dòng)力與靜力的運(yùn)動(dòng)微分方程，同時(shí)還需要確定好邊界條件與初始條件，只有做好了這些，才能得到方程的答案；如果工程問題非常復(fù)雜，那么就需要借助數(shù)值分析的方式來解決問題；如果材料為線性彈性體，本構(gòu)方程就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，可以按照虎克定律來解決問題。

一般來說，巖土材料是多相體的，在使用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型分析問題時(shí)，需要運(yùn)用以下幾種方程：（1）運(yùn)動(dòng)微分方程，也分為動(dòng)力和靜力兩種形式；（2）有效力原理，總效力即有效應(yīng)力和孔隙壓力之和；（3）幾何方程，包括小應(yīng)變分析與大應(yīng)變分析兩種方式；（4）本構(gòu)方程，包括力學(xué)和滲流本兩種。

值得注意的是，在解決不同的巖土工程數(shù)值分析問題時(shí)，基本方程中的運(yùn)動(dòng)微分方程、有效力原理、連續(xù)方程和幾何方程的表達(dá)式基本相同，但本構(gòu)方程卻與前面幾種有著較大的區(qū)別。因此，在進(jìn)行具體的巖土工程分析操作時(shí)，我們需要根據(jù)具體的邊界條件與相關(guān)的初始條件來解決問題，一般采用的方法多是數(shù)值分析，由于單元法對(duì)于邊界條件與初始條件有著一些限定，本構(gòu)方程適應(yīng)性也相對(duì)較差，因此，要解決巖土工程的數(shù)值分析問題，必須要使用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行。

2、關(guān)于巖土本構(gòu)理論發(fā)展的思考

力學(xué)中的虎克定律是一種簡(jiǎn)單的本構(gòu)關(guān)系，巖土與其他的物質(zhì)有著很大的差異，巖土的初始應(yīng)力場(chǎng)很難確定，且土的變形、強(qiáng)度、滲透特性的確定也較為困難，然而這些又與礦物成分、形成歷史以及環(huán)境因素息息相關(guān)，與巖土的應(yīng)力狀態(tài)、加荷速率、結(jié)構(gòu)、水平、應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)有著密切的關(guān)系，因此說，巖土本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜，因此對(duì)本構(gòu)模型的建立形成了一些困難，根據(jù)介質(zhì)力學(xué)理論，必須要考慮到區(qū)域性特征以及工程的實(shí)際情況，并將其結(jié)合起來才能夠建立起科學(xué)的本構(gòu)模型，然后再根據(jù)實(shí)際情況分析巖土的工程數(shù)值，只有這樣才能夠獲得科學(xué)準(zhǔn)確的巖土數(shù)據(jù)。

一些專家學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于巖土本構(gòu)模型的研究應(yīng)該包括兩種，即科學(xué)型模型與工程實(shí)用性模型，科學(xué)型模型能夠反映和揭示一些特殊的規(guī)律，如主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)問題、土體剪脹性等等，這種模型雖然全面性相對(duì)較差，但是能夠反映出一個(gè)以及幾個(gè)特殊規(guī)律，與科學(xué)型模型相比來說，工程實(shí)用型模型比較實(shí)用、簡(jiǎn)單，參數(shù)也相對(duì)較少，更容易測(cè)定，比較適用于具體巖土工程的分析過程，因此，工程實(shí)用型模型的應(yīng)用范圍也較為廣泛。

3、數(shù)值分析在巖土工程中扮演的重要角色

巖土是大自然長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的產(chǎn)物，具有地域性特征，且初始應(yīng)力場(chǎng)難以確定，同時(shí)巖土中的本構(gòu)關(guān)系也較為復(fù)雜，目前獲得行業(yè)工程師普遍認(rèn)可的本構(gòu)模型尚未出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)工程當(dāng)前使用的材料均為均勻性較理想的鋼材和鋼筋混泥土，材料本身造成的誤差比較小，然而巖土工程使用的材料是均勻性較差的巖土，因而材料本身造成的誤差比較大。因此，在進(jìn)行幾何模擬的過程中，應(yīng)該對(duì)工程的柱、梁與板進(jìn)行單獨(dú)的分析，以便最大限度地降低由于材料產(chǎn)生的誤差，但是在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)模擬工作未處理好，那么也會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，所以必須要做好節(jié)點(diǎn)模擬工作。

另外，在巖土工程中，如果有超過兩種以上的材料，那么界面模擬也會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。在本構(gòu)模型的建立方面，考慮到結(jié)構(gòu)工程的原始材料本構(gòu)關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單，因而在建立本構(gòu)模型時(shí)，可以使用線性關(guān)系進(jìn)行，這樣就可以很好的降低模型的誤差。在模型參數(shù)的測(cè)定方面，考慮到本構(gòu)模型有著較大的誤差，結(jié)構(gòu)工程的初始應(yīng)力較小，難以測(cè)定，對(duì)于數(shù)值也有著較大的影響，因此，巖土工程分析常使用非線性本構(gòu)關(guān)系，在分析的過程中常需要迭代，迭代分析可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。 由此可以看出，巖土工程數(shù)值分析目前只用于定性分析，而巖土工程數(shù)值分析結(jié)果將是巖土工程師在巖土分析過程中進(jìn)行綜合判斷的重要依據(jù)之一。

4、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于巖土材料本身的特性，巖土工程初始條件和相關(guān)邊界條件的一些限定，巖土工程數(shù)值分析現(xiàn)階段只能用于定性分析，因此，在巖土工程設(shè)計(jì)的具體過程中，要重視概念設(shè)計(jì)和巖土工程師的綜合判斷，將二者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。巖土工程中數(shù)值分析的關(guān)鍵問題是本構(gòu)模型及參數(shù)的測(cè)定，為了更好地提升巖土數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，巖土工程師必須要對(duì)區(qū)域的地質(zhì)情況與工程性質(zhì)有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，因地制宜，使用合理的物理模型，采用科學(xué)的方法進(jìn)行分析與計(jì)算。

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