对岩土工程数值分析的几点思考

王 鹏 张光辉

（河南省煤田地质局物探测量队，河南 郑州 450009）

1 岩体工程数值分析的关键问题

在实际的岩土工程数值分析中，人们常常用简化之后的物理模型来解决复杂的工程问题，然后再将其转化成数学问题，利用数学方法来解决这些问题。例如：饱和软黏土地基出现大面积沉降问题，就可以通过转化成太沙基一维固结物理模型，然后再转化成固结方程来求解。在实际运用中，连续介质力学模型一直得到广泛的使用，连续介质力学模型主要包括以下几种方程：首先是运动微分方程，这种方程式分为动力和静力两种形式；其次是几何方程，几何方程包括小应变分析和大应变分析两种，分别用于不同的实际分析；还有一种是本构方程，又称力学本构方程，一般用于力学问题的测算。

在实际操作中，具体的过程问题可以依据所得到的边界条件以及初始条件来解答，但是对于那些较为复杂的工程问题，往往需要采用数值分析法。当一个工程涉及到多种方程问题时，往往就需要使用连续力学模型来解决，这时所用的运动微分方程和几何方程基本上是相等的，但是本构方程以及边界条件和初始条件往往是不同的。特别需要注意的就是，当材料为线性弹性体时，本构方程就发生了变化，转化为广义的胡克定律。

一般的岩土材料往往是多相体的，所以在采用连续介质力学模型分析这些问题时，需要包括以下几种方程：第一种是运动微分方程，该方程同样分为动力和静力两种形式；第二种是有效力原理，在这个原理之中，总效力是有效应力和孔隙压力之和；第三种是几何方程，几何方程包括小应变分析和大应变分析两种；最后一种就是本构方程，本构方程包括力学和渗流本两种。

通过以上内容可以看出，多相体与单相体相比，主要多出了有效力方程和连续方程，此外在本构方程中还多出了渗流本方程。但是在解决不同的岩土工程问题时，基本方程中的运动微分方程、有效力原理、连续方程和几何方程的表达式基本相同，但本构方程却与前几种有着较大的差异。当涉及到具体的岩土工程问题时，我们可以根据具体的边界条件以及相关的初始条件来解决上述问题，所采用的方法一般为数值分析法。通过以上论述我们可以发现，连续介质力学一般都借助数值分析法进行解决，这种方法具有较强的适应性。

2 促进岩土本构理论发展的优化措施

有专家认为，反应作用和效应之间的关系成为本构关系，本构关系涉及面极其广泛，如力学中的胡克定律、电学中的欧姆定律等。岩土由于生长在大自然中，所以具有以下特征：区域划分较为明显，即使是同一个地区的岩土也会有所区别，深度和水平方向上的岩土变化也较为多样；就目前的技术水平而言，岩土的初始应力很难测定；土往往是多相体，一般具有固液气三种存在形式，这三相有时很难被区分，并且不同状态之间还可以相互之间的转化，这样的特性给研究增加了难度；一般来说，土体往往具有一定的结构性，结构土样土质的矿物成分、历史形成以及环境等因素都息息相关，一些土壤还具有剪胀性等特点。至今为止，科学家已经建立了不少的本构模型，其中主要包括弹性模型、钢塑性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型等，总计一百多种，但是真正得到工程师认可并普遍利用的模型较少。从上个世纪起，我国就开始注重对于本构模型的构建，曾经一度达到顶峰的状态，但是现在又逐渐降到低谷。通过以上分析可知，本构模型主要是通过连续介质力学来解决岩土问题的。

要想促使本构模型取得进一步的发展，需要将本构模型的研究分为两大类，即科学型模和工程实用型模型。需要注意的是，科学型模型主要用于揭示和反映一些客观规律，例如土的剪胀性等。对于该模型建立的要求不能过于苛刻，只要其可以揭示一个或几个客观规律即可。工程实用型模型需要的不是全面通用，而是简单并且实用，要能反映出工程建筑中的实际问题，并且抓住问题的主要矛盾，还要注意的就是其参数应该要尽可能的少并且容易测定，这样的模型更符合实际操作的需要。工程实用型模型构筑的主要目的是使其能够应用在实际操作之中，国家应当鼓励更多的人才投入到该研究之中。除此之外还需要注意在研究中注意工程类别的区分，对基坑工程、路基工程等有明确的划定标准，还要区分好土的种类，辨别是粘性土还是沙土等。

3 数值分析在岩土工程中的重要地位

众所周知，岩土是自然的产物，具有较强的区域性，初始应力也较难预测。在分析岩土工程时，首先需要掌握的就是工程的地质条件，此外还要掌握岩土的工程性质，再者需要掌握的就是力学中一些最为基本的概念，并且能够在此基础上利用公式以及数值分析方法来解决问题。在计算时，需要能够做到因地制宜，要能够对具体问题做出具体的分析，然后将得出的结论运用到工程建设之中。在实际的岩土分析过程中，数值分析所得出的结果对于工程师的综合判断而言是极其重要的。

在实际的操作之中，在对岩土工程的对象进行分析时要做好岩土材料特性的分析工作，还要注意结合岩土工程的初始条件以及边际条件进行综合的分析。就目前的岩土分析发展状况而言，还不能得出具体的解析解，只能适用于定向分析。岩土工程在进行设计时要将重点要放在概念设计上，并且参照岩土工程师的判断结果，岩土数值分析所得出的结果也是岩土分析的关键参数。

以上对于岩土工程数值的几点思考只是初步的研究，相信经过众学者的讨论之后还可以有更加深刻的见解。岩土工程数值对于岩土施工而言至关重要，对于整个建筑而言也有很大的影响。岩土工程师应该在充分掌握工程地质条件的基础上利用具体参数计算出设计图纸，还要结合多种模型来进行分析。在岩土工程数值计算的过程中，需要注意做到因地制宜，善于抓住问题的主要矛盾，并且制定出更多的实用型模型来解决实际问题，要时刻坚持宜简不宜繁的原则。

[1]龚晓南.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报.2000(02)

[2]鞠海燕,黄红元,黎剑华,杨伟忠,贺跃光.岩土体结构性本构关系研究[J].中国钨业.2006(04)