岩土工程专业教育科研中创新习惯培养

林 杭

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

岩土工程专业教育科研中创新习惯培养

林 杭

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

研究生教育;科研;创新;习惯

知识创新是未来社会文化的基础和核心，创新型人才是决定国家和企业竞争力的关键因素。研究生教育肩负着为我国现代化建设培养高层次创造型人才的重任，因此，培养和提升研究生的创新能力是提高研究生培养质量的关键。

全球经济发展实践表明国家的竞争力越来越体现在以自主创新为核心的科技实力上。随着知识经济时代的来临，知识创新将成为未来社会文化的基础和核心，创新型人才将成为决定国家和企业竞争力的关键因素。研究生教育肩负着为我国现代化建设培养高层次创造型人才的重任，而创造型人才则是推动国家经济和社会快速发展的中坚力量。所以，培养和提升研究生的创新能力、培养适应社会需求和发展的创新型人才应是提高研究生培养质量的关键所在。培养研究生的创新能力并不是一句口号，而是一种能够实践的目标，在研究生培养过程中需要得以足够的重视。在这里需要明确一点，即在培养研究生发现创新点，并用科研工作来实现这些创新点的过程中，实际上是对于研究生创新思维的一种训练。比如对于一个本专业的问题需要进行研究，首先要找到研究的方向，然后，对问题进行剖析，找出可以做的新的工作，也就是创新点，然后，实践这个创新点。这个过程是一种习惯的培养，所找到的创新点也不是一个空洞的想法，而是能够实践的，因此，这种科研创新习惯的培养过程对以后的生活和科研工作有较大帮助。本文以作者在博士生研究阶段的边坡强度折减法的研究为例［1］，阐述这个科研创新习惯的培养过程。

一、弄清大方向的目的和意义

在确定自己的研究方向时，首先要弄清研究的目的和意义，这样才能够保证所研究工作的真实性和可实践性，而不是自己凭空想出来的问题。以下简述边坡稳定性的研究意义。

随着我国经济建设的持续发展，基础设施建设、能源开发等工程规模不断扩大，边坡的失稳(滑坡)常常威胁生命财产安全并带来巨大经济损失，如滑坡可导致交通中断，河道堵塞，城镇被掩埋，工程建设受阻等。历史上一些规模较大的滑坡，如意大利的瓦依昂滑坡，死亡人数达几千人;中国宁夏海源个别特大滑坡灾害的伤亡人数均以万计。另外由于滑坡堵塞河道，形成天然水库，而这些水库又没有溢洪道，通常会在短期内溃决，形成特大洪水，由此导致更大灾害。

人类与滑坡灾害作斗争的努力始终没有中断过。这一努力表现在认识滑坡机理、完善边坡稳定分析理论和方法、开发滑坡治理技术和滑坡预报等方面。对滑坡灾害认识的不断深化是建立在地理、地质和岩石力学、土力学等一系列科学分支的形成、发展和完善的基础上的。而滑坡预报和治理是围绕着确保人身安全和经济建设顺利开展这一中心进行的。只有在诸多领域内共同开展深入的研究，人类才有可能在防治滑坡方面取得重大进展。边坡稳定性分析是判断边坡是否稳定、是否需要加固及采取何种防护措施的主要依据，它是边坡工程中最基本最重要的问题，也是边坡工程设计与施工中最难和最迫切需要解决的问题之一。但是由于边坡地形地质条件复杂、岩土体力学性质不确定和周边环境模糊多变等因素影响，要想准确地判断边坡的稳定性实非易事。因此，如何合理地分析边坡稳定性，是一项具有重要理论和实践应用价值的研究工作。

二、所选择研究目标的基本概念

往往一个大的研究方向有很多研究的小方向，如对于边坡稳定性的研究，包括了对于安全系数和滑动面的研究，而安全系数的研究又可采用极限平衡法，也可采用强度折减数值分析方法;而滑动面的研究包括了:滑动面搜索算法的研究、滑动面形状的假设等等。本文以边坡安全系数的强度折减数值分析方法为例，首先需要明确强度折减法的概念和计算原理。

一般认为，边坡体的破坏现象是指岩土体沿滑裂面发生快速滑落或坍塌的现象，其属于破坏力学范畴。当滑面上每点都达到极限应力状态时，滑坡体进入破坏，这就是破坏力学中的破坏准则，如岩土材料中采用的Mohr-Coulomb破坏准则，当前滑坡工程计算中，经典极限平衡理论中常以此为破坏条件。如果滑面上的力不以每点的应力表示，而以内力表示，那么当滑面上总的下滑力大于或等于抗滑力时，滑面就发生破坏。由此可见，破坏时整个滑面上都达到力的极限平衡状态，此时滑面上每点的岩土强度也都得到充分发挥。各点的强度主要是指材料抵抗剪切的能力，对其进行分析是边坡稳定性分析的理论基础。

对于不同的工程要求，设计人员采用不同的安全系数定义形式，目前采用的安全系数主要有三种［2］:一是基于强度储备的安全系数，即通过降低岩土体强度来体现安全系数;二是超载储备安全系数，即通过增大荷载来体现安全系数;三是下滑力超载储备安全系数，即通过增大下滑力但不增大抗滑力来计算滑坡推力设计值。

(一)强度储备安全系数Fs1

1952年，Bishop提出了著名的适用于圆弧滑动面的“简化Bishop法”。在这一方法中，边坡沿着某一滑裂面滑动的安全系数Fs1定义为，将土的抗剪强度指标降低Fs1倍(c0/Fs1和tanφ0/Fs1)后，则岩土体沿着此滑裂面处处处于极限平衡状态，即，

式中，τ，σ为滑动面上的剪应力和正应力;ccr=c0/Fs1;tanφcr=tanφ0/Fs1;c0，φ0为边坡原始状态下的粘结力和内摩擦角;ccr，φcr为边坡临界平衡状态下的粘结力和内摩擦角。

上述将强度指标的储备作为安全系数定义的方法有明确的物理意义，安全系数的定义根据滑动面的抗滑力(矩)与下滑力(矩)之比得到，该定义经过多年来的实践被国际工程界广泛承认，这种安全系数只是降低抗滑力，而不改变下滑力。同时，用强度储备安全系数定义也比较符合工程实际情况，许多边(滑)坡的发生常常是由于外界因素引起岩土体强度降低而导致岩土体滑坡。

(二)强度折减法的概念与原理

强度折减法将安全系数定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对其强度参数进行折减的程度。若边坡采用Mohr-Coulomb准则描述，影响其稳定性的强度参数是粘结力c和内摩擦角φ，将坡体原始粘结力c0和内摩擦角φ0同时除以一折减系数K，然后进行数值分析。通过不断增大K，反复分析直至边坡达到临界破坏状态。假设此时粘结力和内摩擦角为ccr和φcr，由于边坡处于临界状态，所对应的安全系数Kcr=1，可得原始边坡对应的安全系数为:

由强度折减法的基本原理可见，其对安全系数的定义类似强度储备安全系数的定义方式，但也存在不同:强度折减法是对整个边坡岩土体的折减，而Bishop法只是对滑动面上的岩土参数进行折减。强度折减法认为边坡达到临界失稳状态时，对应的折减系数为安全系数，对应的临界滑动面为边坡的真实滑动面，其无须事先假定滑动面位置;Bishop法须事先假定滑动面，通过不断搜索，找到最小安全系数对应的滑动面，从而得到边坡的安全系数和真实滑动面。从这一点看，强度折减法优于极限平衡法。但两者计算得到的滑动面和安全系数应是相同的，这是因为Bishop法计算得到的最危险滑动面为边坡原始状态的潜在滑面，此面是所有滑面中抗滑能力最小的;而当整个边坡的参数同时折减的时候，潜在滑面的抗滑能力在整个边坡中仍是最小的，因此，两种方法得到的滑动面是相同的。

三、国内外文献的阅读及创新点的发现

在弄清了强度折减法的概念和原理后，我们会有一些自己的想法和一些疑问，如公式(2)传达给我们的信息包括了:粘结力和内摩擦角对于边坡安全系数的影响是一致的，但实际上是不是一致的?对于Mohr-Coulomb准则中，强度参数是粘结力和内摩擦角，而在其他准则中，强度参数不是这些，那强度折减法是怎么实施的?强度折减的定义说明，需要对边坡进行折减直到边坡达到临界失稳状态，那什么时候才是边坡临界失稳状态，有没有统一的判别标准?等等。有了这些疑问后，我们就会想办法去寻找答案，而这也正是创新点寻找的一个有效方法，带着问题兴趣去发现创新。可是，也许这些想法在之前有学者进行了研究，并且把这些问题解决了，因此，为了弄清自己的这些想法是否是可以实践的创新点，我们还需要进行查新，也就是对于大量文献的阅读，以寻找材料的支撑。以下是对于强度折减法的一些文献综述和分析。

(一)强度折减法计算安全系数的文献综述

1975年，Zienkiewicz等在研究土力学中的相关性流动法则与非相关性流动法则的文章中［3］，在算例部分里用有限元法分析了一个均质边坡稳定性。他们把粘聚力c和内摩擦角φ正切值同时除以一强度折减系数SRF，使边坡刚好达到破坏状态，发现此时的强度折减系数与极限平衡法计算的安全系数非常接近。Zienkiewicz等计算边坡安全系数的原理与极限平衡法相同，均采用对边坡材料强度进行同比折减，使滑动面上点达到Mohr-Coulomb破坏准则。但是，两种方法主要的区别是，极限平衡法采用条分法进行受力分析，而Zienkiewicz等则采用力学分析能力较强的有限元法进行受力分析，使受力分析结果更为准确，进而可获得更准确的边坡稳定性分析结果。由于受当时计算机运算能力的限制，计算量很大的有限元法难以得到广泛应用，因此在随着的十多年中，该基于有限元法的边坡稳定性分析方法没有引起很大的关注。

1992 年，Matsui等［4］采用 Zienkiewicz等的方法分析多个边坡的稳定性，并把该方法正式命名为“强度折减技术(Shear strength reduction technique)"。他们从物理意义出发，讨论了临界强度折减系数与传统边坡稳定分析方法的安全系数的关系。因此，从一定意义上讲，Matsui等极大推动了强度折减的有限元边坡稳定分析方法的发展。从而引发一系列相关研究，如 Duncan［5］等，Griffiths 等［6］详细论述了如何把强度折减技术与理想弹塑性(Mohr-Coulomb)有限单元法相结合分析边坡的稳定性，并从多角度对不同边坡进行了细致分析，其中包括均质土坡、含薄软夹层的边坡、不同软硬程度地基上的边坡、不同水位高度的边坡和双侧稳定分析的堤坝。通过大量算例分析及与极限平衡法结果比较，说明有限元强度折减法分析边坡稳定性的有效性。Han［7］对比了采用极限平衡法和强度折减法分析了边坡在不同工况下安全系数和滑动面的情况，得到两者之间的滑动面存在一定差别，但安全系数的差别很小;Dawson等［8］将强度折减法得到的结果与上限极限分析方法的结果进行对比，表明强度折减法得到的结果略大于极限方法得到的结果，并探讨了关联和非关联流动法则情况下的强度折减法。

近几年，我国学者也对有限元强度折减法进行了研究，较早的有宋二祥［9］定义了土工结构安全系数为其极限承载力与所需承载力之比，给出了按此定义计算土工结构安全系数的有限元法。在计算中讨论了弧长控制法的应用。作为算例，首先计算了一座土坝的安全系数，并与Bishop方法的计算结果相比较，二者相当吻合。此外，还计算了用土工织物加强路基的安全系数，进一步说明了此法的可靠性及适用性。连镇营等［10］用强度折减有限元方法对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究。分析结果表明:当折减系数达到某一数值时，边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通，认为边坡破坏，定义此前的折减系数为安全系数;和强度指标相比，弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数对边坡的安全系数影响不大;开挖边坡和天然边坡具有相似的破坏形式，表明强度折减有限元方法适用于开挖边坡的稳定性分析;最后指出，强度折减有限元法具有广泛的适用性和良好的应用前景。郑宏［11］分析了目前在利用弹塑性有限元法求解安全系数时所存在的一些问题，指出在对强度参数折扣的同时，必需满足φ和μ(泊松比)不等式:sinφ1－2μ，才能使所求得的安全系数接近于经典的极限平衡法;随后，赵尚毅等、郑颖人等的工作［12-22］掀起了国内强度折减法研究的热潮，使该方法成为当前研究的热点，他们首先进行了该法基本理论和提高计算精度的研究，随着计算精度的提高，这种方法受到国内岩土工程界和设计部门的广泛关注。一方面扩大了有限元极限分析法的应用范围，另一方面也开始被一些工程设计部门实际采用。然后，探讨了有限元法中安全系数的定义，以及有限元法的优越性;同时，将该方法的应用范围大为扩大，从均质的土坡、土基扩大到具有结构面的岩坡与岩基;从二维扩大到三维;还扩展到寻找边(滑)坡中多个潜在滑面;进行岩土与结构共同作用的支挡结构设计;他们利用有限元强度折减法对几种常用的屈服准则进行了比较，导出了各种准则互相代换的关系，并采用莫尔一库仑等面积圆屈服准则代替莫尔一库仑准则，通过算例表明由此求得的边坡安全系数与传统方法的计算结果十分接近。

目前，强度折减法计算边坡安全系数方面的研究，虽然取得了不少成果，但还远未达到完善的程度。如(1)众多学者在应用强度折减法研究边坡稳定时，通过算例采用强度折减法和极限平衡法计算边坡的安全系数和潜在滑动面时，存在一些差别，但是影响这些差别的原因，以及他们之间的关系尚不明确;(2)较少从微观角度分析边坡失稳本质，探讨粘结力和内摩擦角对稳定性的影响程度，哪个参数先发挥作用，或者哪个参数对稳定性的贡献较大亦不清楚;(3)如何从数值计算结果判断边坡进入临界失稳状态，目前主要有塑性区贯通判据，计算不收敛判据和位移特征判据，但三种判据得到的安全系数是否一致，哪种判据的精度最高、实施过程最为简便合理尚不明确，从而导致至今仍未形成统一的失稳判据;(4)如何利用强度折减法的结果直接确定边坡的临界滑动面，以及相应影响因素有哪些，亦尚不明确;(5)强度折减法主要应用于Mohr-Coulomb准则，但对于不同类型的边坡，Mohr-Coulomb准则并不完全适用，有必要采用其他非线性准则描述边坡的稳定性响应，因此，将强度折减法与这些准则相结合显得十分有意义。

通过这些分析就得到了上述的可以转化为创新点的问题。

(二)强度折减法确定边坡滑动面的文献综述

确定临界滑动面位置是边坡稳定分析的重要内容。一般的边坡稳定分析要求分析者计算前输入滑动面的位置，这对分析者的理论水平和工程经验提出了较高的要求。但对比较复杂的边坡，即使是经验丰富的分析者也难以预先准确指定临界滑动面的所在位置。因此，从20世纪70年代后期开始，很多学者致力于临界滑动面自动搜索技术的研究，提出了多种确定边坡圆弧或非圆弧临界滑动面的优化搜索方法。

随着计算机技术的迅速发展，数值分析方法逐渐被运用于边坡稳定性分析。一般可将数值方法分成两种:强度折减法和与优化搜索法结合的分析方法。其中，第二种方法将数值计算与临界滑动面搜索相结合，通过优化理论指定一系列线段和圆弧的组合作为可能的滑移路径，根据数值计算得到的应力分布从中搜索出安全系数最小的滑移路径作为潜在滑面。如Kim［23］根据有限元法计算的应力场，通过一改进搜索策略寻找边坡的临界滑动面。Zou［24］，Yamagami［25］分别把有限元法与改进动态规划法和动态规划法相结合，对多个边坡进行稳定性分析。这些方法需要在计算的基础上再采用其他优化理论，只是间接使用了数值计算的结果，但若能直接将数值方法得到的应力或者位移应用于滑动面确定上，则可略去优化方法的使用，使数值方法更为简便。

四、创新点的实现

针对以上对于强度折减法概念和原理的分析，以及对相应参考文献的综述与分析，从而得到了相应的创新点，而接下来所需要做的，就在针对这些创新点，进行研究，将所提炼的创新点一个一个实现出来，针对强度折减法，则可进行如下工作。

1．在实际边坡发生滑动时，并不是粘结力和摩擦力绝对一方充分发挥后，才由另一方发挥作用。滑动面上摩擦力与粘结力可能同时发挥作用，只是他们发挥程度不同而已，因此，可分析在不同坡角情况下，粘结力和内摩擦角对边坡安全系数的影响程度，从岩土体微观抗剪机理阐述了边坡稳定性的影响因素，这部分内容作者在文献［26］中得以实现。

2．对同一算例分别实施三种判据:塑性区贯通判据;计算不收敛判据;位移突变判据。采用拉格朗日元法对边坡进行弹塑性稳定分析，将三种判据得到的安全系数与Janbu法的结果进行对比，讨论各种判据的合理性及实用性，这部分内容作者在文献［27，28］中得以实现。

3．采用强度折减法的计算结果直接确定边坡滑动面，并分析稳定性影响因素，这部分内容作者在文献［29］中得以实现。

4．为了在Hoek-Brown准则中实施强度折减法，并使其得到的结果与Mohr-Coulomb准则中强度折减法得到的结果等效;通过理论推导确定Hoek-Brown准则参数与Mohr-Coulomb准则参数之间的关系;然后，进一步得到在Hoek-Brown准则中强度折减法的实施方法。这部分内容作者在文献［30-32］中得以实现。

当然，在强度折减法上还有很多可以研究的内容，如边坡破坏的微观机理研究，非线性准则下边坡滑动面的变化情况，等等。这些都将是作者继续进行的研究工作。

从作者的研究过程，可以看出，创新点的发现，首先是要把握一个大的方向，然后，对基本概念和原理十分了解，从而出发，逐渐探索发现创新点的过程。

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Innovation Habit Cultivation in the Educationand Scientific Research of Geotechnical Engineering Major

LIN Hang
(School of Resources ＆ Safety Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

postgraduate education;scientific research;innovation;habit

Knowledge innovation is the foundation and the core in the future of social culture，innovation talents is decided to be the key factors in the competitiveness of national and enterprise．Postgraduate education shoulders for the modernization of our country and training high-level creative talents，therefore，cultivate and enhance the innovative ability of graduate students is the key problem to improve the cultivation quality of graduate students．Training graduate students＇innovation ability is not a slogan，but a practice target．Innovative research of graduate students cultivation process is to establish a habit of innovation，the paper takes the author’s doctoral study on the slope strength reduction method as example，to elaborate the cultivation process of the scientific research innovation habit．

G642．0

A

2095-2708(2012)04-0044-05

2012-05-03