巖土工程-科學(xué)方法論課件

專題講座巖土工程科學(xué)方法論巖土工程的特點(diǎn)巖土是一種地質(zhì)材料，它經(jīng)受長期的地質(zhì)構(gòu)造作用，在一定的地質(zhì)環(huán)境中形成一定的結(jié)構(gòu)，顯現(xiàn)出寬廣和多變的材料響應(yīng)范圍。與一般工程材料相比，表現(xiàn)出：（1）結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性、不均勻性和各向異性（2）物理力學(xué)性質(zhì)上的非線性（3）隨機(jī)性、模糊性和不確定性。（4）地質(zhì)條件和工程條件的復(fù)雜性（5）整個(gè)巖土工程系統(tǒng)的非線性。傳統(tǒng)研究方法的特點(diǎn)鑒于巖土工程以上這些特點(diǎn)，用傳統(tǒng)科學(xué)研究方法是將其進(jìn)行適度的均一化或作增量處理，進(jìn)而采用的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法去分析和評(píng)價(jià)巖土工程性質(zhì)及其對(duì)工程建筑的適應(yīng)性。事實(shí)上，用這種方法分析評(píng)價(jià)的結(jié)果，往往與實(shí)際需求有較大的偏差，有時(shí)甚至?xí)o工程建設(shè)造成一些麻煩和損失。這種巖土力學(xué)方法在七十、八十年代也有較大發(fā)展，考慮了材料性質(zhì)的非線性和節(jié)理對(duì)工程穩(wěn)定性的影響，繼承了結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程地質(zhì)、流變、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等的基本理論和方法，吸收了結(jié)構(gòu)面的研究內(nèi)容。但仍然沒有揭示巖土體的內(nèi)在實(shí)質(zhì)，甚至有學(xué)者認(rèn)為真正的巖土力學(xué)理論還沒有誕生。第一類方法：

不連續(xù)性和非線性研究方法

不連續(xù)性是指巖土體在結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，在性質(zhì)上的不均勻性和各向異性。巖土體中存在有若干層面、節(jié)理面、斷裂帶等弱面，不同地點(diǎn)、不同方向上巖土體的物理力學(xué)特性不一樣。物理力學(xué)性質(zhì)上的非線性則指巖土體本構(gòu)關(guān)系的非線性和邊界條件的非線性。由科學(xué)的認(rèn)識(shí)論方法，結(jié)合其它的力學(xué)方法，可以得到以下的研究方法。

損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)研究方法在各種加載條件下，工程材料內(nèi)的粘聚力呈漸進(jìn)地簡弱，進(jìn)而導(dǎo)致其體積元的惡化和破壞，這種現(xiàn)象稱為材料的損傷。對(duì)中小規(guī)模呈斷續(xù)裂隙分布的節(jié)理巖體而言，它既不能簡化為塊體，又不能視為完全散粒體，這在宏觀上仍可歸屬于一種非均質(zhì)、各向異性的連續(xù)介質(zhì)體，這就有可能在更大的尺度范圍內(nèi)來考察其各種力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)。而損傷力學(xué)的理論和方法，為這類巖體的研究提供了新的思想和手段。其優(yōu)越性表現(xiàn)在：（1）可以給出巖體各向異性的力學(xué)關(guān)系；（2）可以建立巖體結(jié)構(gòu)面的幾何特性間的關(guān)系；（3）由巖體損傷可以預(yù)測(cè)巖體的后期強(qiáng)度，而在巖體力學(xué)參數(shù)取值的研究中采用損傷力學(xué)方法就克服了尺寸效應(yīng)的困難。

斷裂力學(xué)則研究在各種荷載和環(huán)境因素作用下，材料內(nèi)在的裂紋或孔隙所引起的裂紋呈非線性擴(kuò)展的規(guī)律及其破壞的全過程。這種方法正好反映了巖體破壞的實(shí)質(zhì)，將成為巖石力學(xué)中的重要研究方向?，F(xiàn)在的觀點(diǎn)認(rèn)為，在節(jié)理巖體破壞的全過程中，往往都同時(shí)伴隨著損傷的積累和宏觀裂紋的擴(kuò)展兩方面。所以，有必要把巖體斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)結(jié)合起來，研究節(jié)理巖體結(jié)構(gòu)的整個(gè)破壞全過程。離散單元法研究方法

離散單元法也認(rèn)為巖體是各種大小不同的巖塊組合體，但其考慮了塊體相互之間接觸的影響。認(rèn)為塊體在相鄰塊體的作用下的運(yùn)動(dòng)過程中，塊體和相鄰塊體可以接觸，也可以分開。塊體之間的相互作用力由接觸面的本構(gòu)方程確定，而塊體的運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)該塊體所受到的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。這種方法可以描述塊體運(yùn)動(dòng)的全過程。

第二類方法：

不確定性研究方法

在巖土工程分析和數(shù)值計(jì)算中，存在著若干的客觀和主觀的不確定性因素（即隨機(jī)性和模糊性）。眾所周知，在建筑結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用隨機(jī)分析方法，按概率設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠度評(píng)價(jià)。毫無疑問，由于巖土介質(zhì)和工程條件的復(fù)雜性，在水工和巖土工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，也必將向不確定性分析方法的設(shè)計(jì)計(jì)算過渡。在巖土工程中，大量固有的不確定性因子主要來源于荷載環(huán)境（初始應(yīng)力場(chǎng)值）、介質(zhì)地質(zhì)環(huán)境（巖土性質(zhì)參數(shù)）和施工環(huán)境與結(jié)構(gòu)材料等多方面內(nèi)外部條件的不利組合而造成的，因而采用不確定性分析方法來研究巖土工程問題是合理的。

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法

該方法著重對(duì)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，給出測(cè)試各值的“均值”和“方差”，并將其應(yīng)用于巖土工程的可靠性分析，得出其失效概率或安全概率。

模糊數(shù)學(xué)方法

由于巖土工程中的大多數(shù)問題都是利用模糊語言描述的，如洞室圍巖“基本”穩(wěn)定、土體中裂紋“較多”，等等。對(duì)于“基本”、“較多”等含糊不清的術(shù)語，用經(jīng)典的數(shù)學(xué)手段是無法進(jìn)行描述的，更不可能據(jù)此作復(fù)雜的運(yùn)算。在模糊數(shù)學(xué)里提出了“隸屬度”的概念，它用從0～1來描述由“否定”到“肯定”的過渡，這樣，任何一個(gè)不是完全“肯定”但也不是完全“否定”的量都可以用隸屬度來度量，使這些“模糊語言的量”能夠上升到用“數(shù)字語言”來定量地表達(dá)，從而也得以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。目前，此方法在巖土工程，應(yīng)用上已有初步成果的是模糊綜合評(píng)判和智能模糊推理，還有模糊概率或模糊可靠度等等，例如，應(yīng)用到圍巖分類、巖土工程質(zhì)量評(píng)判、巖土工程模糊設(shè)計(jì)和專家思維過程的模糊模擬等各個(gè)方面。

第三類方法：

系統(tǒng)分析方法

巖土工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工是相互依賴的系統(tǒng)，過去各自為政的進(jìn)行研究，盡管可能在某一方面取得較高水平的成果，但在整個(gè)系統(tǒng)上不可能達(dá)到技術(shù)上的先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)上的合理。人們?cè)噲D發(fā)展巖土工程系統(tǒng)分析方法，以便綜合解決巖土工程問題。

根據(jù)系統(tǒng)論原理，巖土體是開放的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其內(nèi)部因素（結(jié)構(gòu)以及地應(yīng)力、地下水和地溫等狀態(tài)參量）和環(huán)境因素（工程作用以及地震、降雨和氣溫等自然環(huán)境因素）是眾多而復(fù)雜的，且其中很多因素是未知或不確定的。即巖土體是一類“灰箱”系統(tǒng)。通過對(duì)該系統(tǒng)的正、反分析，使勘測(cè)試驗(yàn)、計(jì)算預(yù)測(cè)、施工監(jiān)控和實(shí)踐檢證四者做到彼此協(xié)調(diào)、互相配合才是最優(yōu)的施工設(shè)計(jì)。建議結(jié)合工程具體實(shí)際，采用系統(tǒng)工程的思想方法，開展跨學(xué)科的正、反分析研究。目前已發(fā)展起來的“施工—監(jiān)測(cè)—設(shè)計(jì)—施工”反分析方法，特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的反饋機(jī)制，通過反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，這是非常重要的一種方法論和思維方式。事實(shí)上，任何一個(gè)完整的任識(shí)和實(shí)踐過程都包含著反饋機(jī)制，因此反饋思維揭示了人們的認(rèn)識(shí)和行為的本質(zhì)。系統(tǒng)識(shí)別

巖土體的真實(shí)模型是及其復(fù)雜的，了解其內(nèi)部特性并建立計(jì)算模型似乎也是不可能的。為此，將巖土體視為一個(gè)變換器，把初始地應(yīng)力和現(xiàn)場(chǎng)開挖及受各種擾動(dòng)產(chǎn)生開挖釋放力的情況都視為此變換器的已知輸入值，而把巖土體的可觀測(cè)到的收斂位移量視為也是變換器已知的輸出值，這樣，按照系統(tǒng)識(shí)別理論，該巖土體的等價(jià)物理模型和等價(jià)巖土體力學(xué)參數(shù)就可以通過輸入和輸出值進(jìn)行識(shí)別。如設(shè)巖土體的物理模型為彈性力學(xué)模型、塑性力學(xué)模型，粘彈、彈粘塑或彈塑性力學(xué)模型與隨機(jī)介質(zhì)模型等等，通過這種模型識(shí)別，證明某一已知模型在精度上能較為符合工程要求，可以把它看作是對(duì)真實(shí)巖體系統(tǒng)的反映，稱之為等價(jià)模型。模型識(shí)別的過程，是“實(shí)測(cè)—模型分析—實(shí)測(cè)值比較”的反分析過程。

系統(tǒng)工程

如果將巖土體視為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)論認(rèn)為巖土體的基本特征則是它的各個(gè)組成部分；對(duì)各部分和各過程分門別類研究的傳統(tǒng)方法不能完整地描述巖土體活動(dòng)的現(xiàn)象，重要的是各部分和各過程間的協(xié)調(diào)關(guān)系，而應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)的則是其整體性和相互性。系統(tǒng)工程在巖土力學(xué)和工程中的應(yīng)用，具體體現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)和施工的程序設(shè)計(jì)方面，它以巖土介質(zhì)體為對(duì)象，把需要組織、管理和安排的內(nèi)容經(jīng)過分析、推理和判斷，綜合建成某種系統(tǒng)模型，進(jìn)而以最優(yōu)化的方法求得系統(tǒng)最佳化的結(jié)果，即要求技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理而時(shí)間則最省，能以協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳效果。在巖土工程的實(shí)施過程中組織和參加實(shí)施的各方面還應(yīng)注意建立其內(nèi)在的相互聯(lián)系，而不只限于一般工作上的銜接，否則，認(rèn)為會(huì)造成宏觀上認(rèn)識(shí)和處理巖土工程問題的很大差距。

信息論

信息論是美國學(xué)者C.E.Shannon創(chuàng)始的，它為系統(tǒng)論的進(jìn)一步發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。信息論是從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來研究信息系統(tǒng)，它完全抽調(diào)了系統(tǒng)具體的工質(zhì)和具體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，而把系統(tǒng)有目的的運(yùn)動(dòng)抽象為一個(gè)信息變換過程；認(rèn)為，系統(tǒng)正是由于信息的獲取、傳遞、加工和處理等一系列的變換，才實(shí)現(xiàn)其有目的的運(yùn)動(dòng)。這樣，通過揭示信息聯(lián)系來認(rèn)識(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。信息論最重要的一點(diǎn)就是給出了事件的欣喜量的度量值，而且信息量具有可加性。這樣，在巖土工程的分析中先將要巖土體視為一信息系統(tǒng)，分析事件因素的構(gòu)成，求取每個(gè)事件的信息量，利用可加性則可得整體事件的信息量。在工程應(yīng)用方面，已有將信息論的“信息可加原理”應(yīng)用于巖土體逆分析。對(duì)巖土體系統(tǒng)，未知狀態(tài)的認(rèn)識(shí)（即后驗(yàn)信息）認(rèn)為由觀測(cè)信息、先驗(yàn)信息和理論信息的綜合，可以得信息量很充分的狀態(tài)認(rèn)識(shí)。

第四類方法：

非線性系統(tǒng)理論分析方法

自然界里，大部分系統(tǒng)不是有序的、穩(wěn)定的、平衡的和確定的，而是處于無序的、不穩(wěn)定的、非平衡的和隨機(jī)的狀態(tài)之中，它存在著無數(shù)的非線性過程。在非線性世界里，隨機(jī)性和復(fù)雜性是其主要特征，但同時(shí)，在這些極為復(fù)雜的現(xiàn)象背后，存在著某種規(guī)律性。近十幾年來，出現(xiàn)了混沌、分形、協(xié)同學(xué)、突變論等非線性科學(xué)，揭示了混亂和規(guī)律、局部和整體、平衡和非平衡之間的本質(zhì)聯(lián)系。對(duì)于一些復(fù)雜的巖土工程問題，大多數(shù)也屬于非線性系統(tǒng)，只有用非線性科學(xué)才能有效的解決這些問題。

突變理論

突變理論是由法國數(shù)學(xué)家R.Thom于1972年創(chuàng)立，是為了描述形態(tài)發(fā)生問題中的突變現(xiàn)象提出的數(shù)學(xué)框架。所謂突變是指自然事物的變化是不連續(xù)的、突發(fā)的和非光滑的。諸如巖爆、煤礦井下瓦斯（或水）突發(fā)、采空區(qū)頂板塌落、山體邊坡滑落、地震、火山爆發(fā)等都是突變事件。突變理論要求從量的角度來研究各種突變事件的不連續(xù)變化，并用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述，對(duì)各種不同的突變情況而言，描述結(jié)果只取決于控制變量的數(shù)目。哲學(xué)認(rèn)為，事物的變化總是由量變到質(zhì)變的變化過程，有時(shí)量變的過程可能是很長的，而發(fā)生質(zhì)變則是一瞬間的。突變理論正是反映了質(zhì)變過程。

在巖土工程中，突變理論已用于模擬巖石破裂過程、礦山巖爆、地震等方面。

協(xié)同學(xué)理論

協(xié)同學(xué)是1974年由德國物理學(xué)家H.Haken創(chuàng)立的。它既立足宏觀又深入到微觀層次，以宏觀—微觀聯(lián)系機(jī)制為中心研究由大量子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)的有序形成的條件和原因。協(xié)同學(xué)的主要核心是在于它的伺服系統(tǒng)，由于協(xié)同學(xué)研究巨系統(tǒng)，系統(tǒng)里含有大量子系統(tǒng)，協(xié)同學(xué)通過研究大量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程的穩(wěn)定性，找出支配系統(tǒng)的參量，區(qū)分出快變量和慢變量，快變量受慢變量伺服，從而找到在系統(tǒng)演化過程中起主導(dǎo)作用的變量，即慢變量。然后，僅研究慢變量方程，考慮在隨機(jī)作用下方程的演變和發(fā)展，從而對(duì)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律以預(yù)報(bào)。

（2）分形性?；煦缇哂蟹中涡再|(zhì)，是指系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡在相空間的幾何形態(tài)可以用分形來描述。系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)在相空間無窮纏繞、折迭和扭曲，構(gòu)成具有無窮層次的自相似結(jié)構(gòu)，即分形結(jié)構(gòu)。（3）普適性。當(dāng)系統(tǒng)趨于混沌時(shí)，其特征不因具體系統(tǒng)的不同和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的差異而變化，都與“費(fèi)根鮑姆常數(shù)”（=4.669201609109……)相聯(lián)系。（4）標(biāo)度律?；煦绗F(xiàn)象是一種無周期性的有序態(tài)，具