論巖土工程發(fā)展的新思維

1、論巖土工程發(fā)展的新思維        摘  要：巖土工程學是土木工程的分支，是運用工程地質(zhì)學、土力學、巖石力學解決各類工程中關(guān)于巖石、土的工程技術(shù)問題的。的巖土工程研究重視地質(zhì)過程機制分析、強調(diào)巖土與工程相結(jié)合，定性分析與定量評價相結(jié)合，傳統(tǒng)與現(xiàn)代的統(tǒng)一。在系統(tǒng)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(chǎn)生巖土工程的新思維與新方法。 關(guān)鍵詞：巖土工程；測試；分析；不確定問題        

2、; 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(zhì)過程中，經(jīng)受了各種復雜的地質(zhì)作用，因而有著復雜的結(jié)構(gòu)和地應力場環(huán)境。而不同地區(qū)的不同類型的巖體，由于經(jīng)歷的地質(zhì)作用過程不同，其工程性質(zhì)往往具有很大的差別。巖石出露地表后，經(jīng)過風化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)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(zhì)時期各地區(qū)的風化環(huán)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(zhì)復雜而且其性質(zhì)的區(qū)域性和個性很強。         1 測試技術(shù)  

3、0;      1.1原位測試技術(shù)         隨著巖土工程的興起，原位測試設備和技術(shù)不斷和更新。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(shù)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。由于應用機技術(shù)對數(shù)據(jù)、圖形、信息采集、分析判別完全程序化、規(guī)范化，因而達到高效、準確的目的。在巖基方面，巖體現(xiàn)場變形、抗剪、應力

4、測試繼續(xù)廣泛應用，并向小型化、自動化控制方向發(fā)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(shù)         物探技術(shù)在巖土工程中的應用十分普遍，新技術(shù)也層出不窮。主要有層析成像（CT）技術(shù)、電磁波透視、淺層地震、地質(zhì)雷達、聲納剖面、瞬變電磁法等。應當指出，層析成像（CT）技術(shù)近年來發(fā)展很快，CT技術(shù)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。   &

5、#160;     1.3巖體結(jié)構(gòu)面模擬技術(shù)         巖體是一種不連續(xù)介質(zhì)，巖體發(fā)育的各種不同成因的結(jié)構(gòu)面分布極為復雜。人們在工程現(xiàn)場選擇有代表性地段，實地量測各類結(jié)構(gòu)面（斷層、裂隙、層面）的幾何參數(shù)（走向、傾斜、傾角、隙寬、間距等），然后輸入計算機，進行統(tǒng)計模擬?？蓱妹商乜宸椒ò匆阎母怕拭芏群瘮?shù)抽樣，從而得出與實際分布函數(shù)相似的人工隨機變量，據(jù)此進行特征計算和分布類型檢驗。所有結(jié)構(gòu)面結(jié)合起來即構(gòu)成了巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡圖像，全部過程由計算機完成。 

6、0;       由于結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡反映了巖體的介質(zhì)特性，所以這一技術(shù)有廣泛的用途?？梢灾苯佑嬎憬Y(jié)構(gòu)面連通率、巖石質(zhì)量RQD值、損傷張量、分形維數(shù)和滲透張量等，以用于邊坡和壩基的穩(wěn)定分析。近年來又發(fā)展了隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡計算機模擬新技術(shù)，以求取不連續(xù)面三維空間基本參數(shù)。         2 分析方法         2.1數(shù)值分析   &#

7、160;     在巖土力學的數(shù)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(fā)展。近年來又出現(xiàn)了神經(jīng)元網(wǎng)絡技術(shù)用于巖石力學，神經(jīng)元網(wǎng)絡是80年代后期迅速發(fā)展起來的人工智能的一個分支。它是在現(xiàn)代神經(jīng)科學研究的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)，亦已知其最終輸出結(jié)果，利用機器學習來調(diào)整各單元之間的權(quán)值，使之能最佳適應已知諸例的結(jié)論。神經(jīng)元網(wǎng)絡用于預測巖石力學特性的最大優(yōu)點是，可以把有關(guān)地質(zhì)因素，即便是描述性因素也可以做為變量輸入，但其輸出結(jié)果離散性較小，其用法與回歸

8、分析和經(jīng)驗公式類似，但程序不同。          以極限平衡法進行邊坡穩(wěn)定分析有新的進展，主要是把滑動的二維問題變?yōu)槿S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(shù)，省去了試求或優(yōu)化滑動面的過程，較好地解決了復雜邊坡的穩(wěn)定分析問題。 1                 2.

9、2本構(gòu)模型研究         在經(jīng)典土力學中沉降將土體視為彈性體，采用布西奈斯克公式求解附加應力，而穩(wěn)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(guān)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(fā)揮度、以及巖土的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度等均對其有影響。         開展巖土的本構(gòu)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

10、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(nèi)時模型和損傷模型，以及結(jié)構(gòu)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(chǔ)。工程實用模型應是為某地區(qū)巖土、某類巖土工程問題建立的本構(gòu)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(jié)果。         在以往本構(gòu)模型研究中不少學者只重視本構(gòu)方程的建立，而不重視模型參數(shù)測定和選用研究，也不重視本構(gòu)模型的驗證工作。在以后的研究中特別

11、要重視模型參數(shù)測定和選用，重視本構(gòu)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         巖土體是一種變異性很大的工程材料或工程介質(zhì)。因此，很難用確定的量來描述巖土體的各種性質(zhì)。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(zhì)分異、構(gòu)造作用、斷層裂隙的生成所引起；（2）勘察取樣和參數(shù)估計的隨機性邊界條件不準、測試

12、技術(shù)誤差及取樣數(shù)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。         巖土工程的不確定性導致了當前巖土體測試技術(shù)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(chǎn)生極大的矛盾，使人們對傳統(tǒng)的定值法設計得出的安全系數(shù)能否表達工程的真實安全度產(chǎn)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。         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

13、色系統(tǒng)理論及分數(shù)維理論（分形幾何）等。         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(shù)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(yōu)化設計和決策。         模糊理論在巖土工程中的應用已較普遍，它用隸屬函數(shù)代替確定論中非此即彼的特征函數(shù)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(huán)境評價、巖體分類、強度預報等

14、顯示出廣闊的應用前景。         灰色系統(tǒng)理論研究事物的“灰度”、“灰數(shù)”、“灰關(guān)系”等特征，在社會和科學的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在巖土工程中，可應用灰色系統(tǒng)理論進行巖體分類，采用灰色建模進行滑坡發(fā)生時間的預報和地下水位預報；利用灰關(guān)聯(lián)度分析原理確定影響巖土工程穩(wěn)定性的主次關(guān)系等。         分數(shù)維理論是近十幾年起來的熱門科學。應用分數(shù)維理論，可以對巖體中不規(guī)則的雜亂無章的裂隙系統(tǒng)的幾何特征進行描述。