浅谈岩土工程的数值分析

王忠

摘要：岩土工程数值分析是岩土工程师在岩土工程分析的过程中综合判断的重点依据，它对把握整体岩石工程来说是非常重要的。本文主要结合我国岩土工程数值分析的现状展开讨论，并给出一定的发展措施。

关键词：岩土工程；数值分析；措施

中图分类号：O241 文献标识码：A

岩土工程分析里的关键

通常情况下，在实际进行岩土工程数值分析的过程中，人们往往是要用简化以后的物理模型去解决比较复杂的工程问题，之后在将其转化为与数学相关的问题，然后在利用数学的方法来解决这些问题。比如，在饱和的软黏土地基中如果出现大面积的沉降问题，就可以通过将其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。可以知道，在实际的运用中，续介质力学模型受到了广泛的应用，连续介质力学模型主要包括以下几种方程：一个是运动微分方程这种方程主要有动力和静力两种方式；一个是几何方程，这个几何方程主要是分为小应变分析和大应变分析两种情况，并且它们分别用于不同的实际分析过程中；最后一种是本构方程，也叫做力学本构方程，这种一般是用于力学问题的测算等方面。

在实际的操作过程中，具体的问题还要根据所得到的边界条件或者是初始化条件进行解答，但是对于那些比较复杂的工程问题来说，这就需要采用数值分析的方法。也就是当一项工程会涉及到很多种方程问题的时候，这就需要用连续力学模型来解决，这时所用到的运动微分方程和几何方程基本上都是相等的，但是本构方程以及边界条件和初始条件通常是不一样的。而且需要特别注意的是，如果材料是线性弹性体时，本构方程就发生了变化，进而转化成广义的胡克定律。

一般来说，岩土材料都是多相体的，因此在采用连续介质力学模型来分析这些问题的时候，通常会包括以下几种方程：一种是运动微分方程，这个方程同样是分为动力和静力两种形式；一种是有效力原理，而且在这个原理中，总效力往往是有效应力和孔隙压力之和；第三种是几何方程，几何方程主要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，本构方程主要包括力学和渗流本两种。

通过以上的内容，我们可以看出，多相体和单相体相比较的话，主要是多出了有效力方程和连续方程，另外在本构方程中又多出了渗流本方程。但是在解决不同的岩土工程问题时，基本方程中的有效力原理、运动微分方程、连续方程和几何方程的表达式基本是相同的，但是本构方程和前面几种有很大的差别。如果涉及到具体的岩土工程问题时，我们应该根据具体的边界条件或者相关的初始条件进行解决可能遇到的问题，这样所采用的方法通常就是数值分析法。通过上面的介绍，我们可以发现，连续介质力学通常都是借助于数值分析的方法进行解决的，并且这种方法具有非常好的适应性。

岩土工程数值分析的现状

众所周知，由于岩土是自然的产物，通常具有很强的区域性，它的初始应力是很难能预测到的。在分析岩土工程的过程中，首先需要掌握的就是工程的地质条件，另外还要掌握岩土的工程性质，重要是的掌握力学中的一些比较基本的概念，并且能够在此基础上利用公式以及数值的分析方法来解决问题。在计算的过程中，需要能够做到因地制宜，能够对具体的问题做出具体的分析，然后将得到的结论运用到工程建设中去。在实际的岩土分析过程中，数值分析所得到的结果对于工程师的综合判断是相当重要的。在实际的操作过程中，对岩土工程的对象进行分析时，应该做好岩土材料特性的分析，还应该注意结合岩土工程的初始条件和边际条件进行综合的分析。针对目前的岩土工程数值分析的现状来说，我国的岩土工程的数值分析现状有以下几点：

（1）难以解决又无法回避，是本构模型及它的参数测定在岩土工程分析里的重要特点。前面已经提到：通过建立涉及到区域性特性影响、土类和工程类别的各类特点，是岩土工程数值分析和发展利用工程实用本构模型的侧重方向。工程实用本构模型具有易于测定、参数应用比较少、有利积累工程经验等多个优点。通过大量的工程经验的积累，以及建立多个工程实用本构模型的有效结合，一定能极大促成岩土工程分析里岩土工程数值分析的研究应用，最终由只能用于定性分析逐步过渡到能用于定量分析。

（2）自从剑桥模型确立至今，多国学者提出过多版本的本构方程，但在实际中极少应用。这个现象反映了怎样建立岩土的工程使用本构方程，当之无愧成为采用连续介质力学模型解答岩土工程问题的关键所在；

（3）在了解土的工程性质基础之上，充分掌握、有效分析工程地质资料，通过合理物理数学模型的采用，再运用多类方法进行科学地计算与分析，结合多类工程经验进行综合性判断，从而提出设计的依据，这是对岩土工程师的要求，在岩土工程分析计算中，本着因地制宜的原则，来有效深入开展自己的工作，为研究学科的发展和进步做出自己的贡献

（4）考虑到对岩土工程分析对象的岩土材料特性的掌握和分析，同时岩土工程的边界条件和厨师条件都非常复杂，岩土工程的分析几乎没有能够得到有效解析。目前的实际情况是，只能在定性分析的基础上对岩土工程的数值进行分析。这些特点要求岩土工程设计师们，在工程设计阶段就要重视概念的设计，重视综合判断，因为分析结果很大程度成为分析过程中综合判断的重点依据来源。

岩土工程数值分析的发展措施

岩土工程数值分析的有关专家表示，在反应作用和效应之间的关系称之为本构关系，本构关系设计到的范围比较广，比如力学中的胡克定律和电学中的欧姆定律等。由于岩土生长在大自然中，因为它一般具有以下几个特征：即使是在同一个地区的岩土也会有一定的区别，它们的区域划分比较明显，而且深度和水平方向上的岩土变化也比较多样化；拿目前的技术水平来说，岩土的初始应力很难测定到，岩土往往是多相体的，具有固体、液体、气体三种存在形式，这三种形式有时是很难区分开来的，并且他们之间在不同的状态间还能相互进行转化，这样就给研究学者带来了一定的难度。一般来说，土体都是有一定的结构性的，并且结构土样土质的矿物质、环境以及历史形成等因素都是有关系的，有的土壤还有剪胀性的特点。到目前为止，科学家们已经建立了很多本构模型，其中主要包括非线性弹性模型、弹塑性模型、弹性模型、钢塑性模型等，总计有一百多种，但是真正能够得到工程师们认可并且还能普遍利用的模型是很少的。我国在对本构模型的构建方面，曾经有过高峰期状态，但是现在又开始滑入到低谷中。通过以上的分析可以知道，本构模型主要是通过连续介质力学来解决岩土的问题的。

为了使本构模型能取得更好的发展，我们可以将本构模型的研究分为两大类，通常是科学型模和工程实用型模型。需要注意的是，科学型的模型主要用于揭示和反映一些客观的规律，比如土的剪胀性等。而对于这种模型的建立要求不能过于严格，只要能够保证揭示出一个或者几个客观的规律就可以。工程的实用型模型需要的并不是全面的通用，而是简单并且实用，重要的是能够反映出工程建筑中的实际问题，然后抓住问题的主要矛盾，将其参数能尽可能少以免容易测定，这样的话更能符合实际的操作需要。工程实用型模型建筑的主要目的是使它能够应用到实际的操作过程中，国家应该鼓励更多的人投入到该项研究中去。另外，还要注意在研究中区分工程的类别，对对基坑工程、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。

结束语

综上所述，关于岩土工程数值分析的几点思考只是初步的研究，相信在经过众多学者的讨论以后还能有更加深刻的见解。岩土工程数值分析对于岩土施工来说是相当重要的，它会影响整个建筑的发展。所以，岩土工程师们应该结合多种模型来进行分析，并在充分掌握了工程地质条件的基础上能够利用具体的参数计算出设计图纸。另外，在岩土工程数值计算的过程中，还需要做到因地制宜，能够抓住问题的主要矛盾，根据实际情况制定出更过的实用性模型，但是应该时刻坚持宜简不宜繁的原则。

参考文献:

[1]田生福. 浅谈岩土工程中数值分析的几点思考[J].研究与探讨，2013(2).

[2]龚晓南. 对岩土工程数值分析的几点思考[J].岩土力学, 2011(2).

[3]王鹏,张光辉.对岩土工程数值分析的几点思考[J].工程与材料力学, 2013(9).