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(xué)是土木工程的分支，是運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)解決各類工程中關(guān)于巖石、土的工程技術(shù)問(wèn)題的。的巖土工程研究重視地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析、強(qiáng)調(diào)巖土與工程相結(jié)合，定性分析與定量評(píng)價(jià)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(jìn)行概化，以指導(dǎo)實(shí)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(cè)試；分析；不確定問(wèn)題        

2、; 巖土工程研究的對(duì)象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)過(guò)程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場(chǎng)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(guò)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(guò)風(fēng)化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)過(guò)風(fēng)、水及冰川的剝蝕和搬運(yùn)作用在異地沉積形成土層。在各地質(zhì)時(shí)期各地區(qū)的風(fēng)化環(huán)境、搬運(yùn)和沉積的動(dòng)力學(xué)條件均存在差異性，因此土體不僅工程性質(zhì)復(fù)雜而且其性質(zhì)的區(qū)域性和個(gè)性很強(qiáng)。         1 測(cè)試技術(shù)  

3、0;      1.1原位測(cè)試技術(shù)         隨著巖土工程的興起，原位測(cè)試設(shè)備和技術(shù)不斷和更新。在土基方面，除了靜力觸探、圓錐動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等外，深基靜載、高壓旁壓、自鉆旁壓儀等在較大深度以下測(cè)定地基巖土體承載力、變形參數(shù)成為當(dāng)今原位測(cè)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(cè)試儀器的性能有了較好的改善。由于應(yīng)用機(jī)技術(shù)對(duì)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(dá)到高效、準(zhǔn)確的目的。在巖基方面，巖體現(xiàn)場(chǎng)變形、抗剪、應(yīng)力

4、測(cè)試?yán)^續(xù)廣泛應(yīng)用，并向小型化、自動(dòng)化控制方向發(fā)展，但總的來(lái)講，這方面的試驗(yàn)仍然耗資大，時(shí)間長(zhǎng)。         1.2物探測(cè)試技術(shù)         物探技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)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(dá)、聲納剖面、瞬變電磁法等。應(yīng)當(dāng)指出，層析成像（CT）技術(shù)近年來(lái)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(fù)雜。人們?cè)诠こ态F(xiàn)場(chǎng)選擇有代表性地段，實(shí)地量測(cè)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(jì)算機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模擬?？蓱?yīng)用蒙特卡洛方法按已知的概率密度函數(shù)抽樣，從而得出與實(shí)際分布函數(shù)相似的人工隨機(jī)變量，據(jù)此進(jìn)行特征計(jì)算和分布類型檢驗(yàn)。所有結(jié)構(gòu)面結(jié)合起來(lái)即構(gòu)成了巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖像，全部過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成。 

6、0;       由于結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)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?jì)算結(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(lái)又發(fā)展了隨機(jī)不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)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(xué)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(jī)有限元、模糊有限元方向發(fā)展。近年來(lái)又出現(xiàn)了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于巖石力學(xué)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的人工智能的一個(gè)分支。它是在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究的基礎(chǔ)上提出來(lái)的反映人類腦動(dòng)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(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)調(diào)整各單元之間的權(quán)值，使之能最佳適應(yīng)已知諸例的結(jié)論。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測(cè)巖石力學(xué)特性的最大優(yōu)點(diǎn)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(yàn)公式類似，但程序不同。          以極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析有新的進(jìn)展，主要是把滑動(dòng)的二維問(wèn)題變?yōu)槿S問(wèn)題，考慮每一條塊的測(cè)向壓力、地下水動(dòng)、靜壓力及地震力的作用。另外，也有人從整體邊坡破壞機(jī)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(dòng)面的過(guò)程，較好地解決了復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定分析問(wèn)題。 1                 2.

9、2本構(gòu)模型研究         在經(jīng)典土力學(xué)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(yīng)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(shí)際工程土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是很復(fù)雜的，具有非線性、彈性、塑性、粘性、剪脹性、各向異性等等，同時(shí)，應(yīng)力路徑、強(qiáng)度發(fā)揮度、以及巖土的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度等均對(duì)其有影響。         開展巖土的本構(gòu)模型研究可以從兩個(gè)方向努力：一是努力建立用于解決實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)用模型；一是為了建立能進(jìn)一

10、步反映某些巖土體應(yīng)力應(yīng)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(shí)模型和損傷模型，以及結(jié)構(gòu)性模型等。它們應(yīng)能較好反映巖土的某種或幾種變形特性，是建立工程實(shí)用模型的基礎(chǔ)。工程實(shí)用模型應(yīng)是為某地區(qū)巖土、某類巖土工程問(wèn)題建立的本構(gòu)模型，它應(yīng)能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進(jìn)行工程計(jì)算分析，可以獲得工程建設(shè)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(xué)者只重視本構(gòu)方程的建立，而不重視模型參數(shù)測(cè)定和選用研究，也不重視本構(gòu)模型的驗(yàn)證工作。在以后的研究中特別

11、要重視模型參數(shù)測(cè)定和選用，重視本構(gòu)模型驗(yàn)證以及推廣應(yīng)用研究。只有這樣，才能更好為工程建設(shè)服務(wù)。         2.3巖土工程的不確定性問(wèn)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(lái)描述巖土體的各種性質(zhì)。巖土工程中的不確定性主要來(lái)自下列3個(gè)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(guò)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(jì)的隨機(jī)性邊界條件不準(zhǔn)、測(cè)試

12、技術(shù)誤差及取樣數(shù)量不足所引起；（3）模型誤差導(dǎo)致的不確定性物理力學(xué)模型和計(jì)算方法的不準(zhǔn)確或多解性所引起。         巖土工程的不確定性導(dǎo)致了當(dāng)前巖土體測(cè)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(jī)性之間產(chǎn)生極大的矛盾，使人們對(duì)傳統(tǒng)的定值法設(shè)計(jì)得出的安全系數(shù)能否表達(dá)工程的真實(shí)安全度產(chǎn)生了凝問(wèn)，這就是目前巖土分析與評(píng)價(jià)難以滿足工程要求的主要原因。         當(dāng)前，應(yīng)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?jǐn)?shù)維理論（分形幾何）等。         概率理論是處理巖土體不確性問(wèn)題的一個(gè)有效工具，它可以指導(dǎo)隨機(jī)參數(shù)的取樣和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立巖體工程概率模型和計(jì)算破壞概率，可以評(píng)價(jià)工程的可靠性和風(fēng)險(xiǎn)度，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和決策。         模糊理論在巖土工程中的應(yīng)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(lái)描述那些邊界不清的過(guò)渡性問(wèn)題。模糊模式識(shí)別和綜合評(píng)判理論對(duì)那些受多因素影響的問(wèn)題，如巖體環(huán)境評(píng)價(jià)、巖體分類、強(qiáng)度預(yù)報(bào)等

14、顯示出廣闊的應(yīng)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(huì)和科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在巖土工程中，可應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行巖體分類，采用灰色建模進(jìn)行滑坡發(fā)生時(shí)間的預(yù)報(bào)和地下水位預(yù)報(bào)；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?jǐn)?shù)維理論是近十幾年起來(lái)的熱門科學(xué)。應(yīng)用分?jǐn)?shù)維理論，可以對(duì)巖體中不規(guī)則的雜亂無(wú)章的裂隙系統(tǒng)的幾何特征進(jìn)行描述。