岩土工程计算原理和方法

岩土工程数值计算原理与方法

随着计算机的计算速度和存储能力的飞速发展以及计算方法的日益完善，数值模拟方法已经成为研究未知领域的强有力的工具。在岩土工程计算与分析中数值计算原理与方法也发展很快。特别是有限元的发展，促进了岩土工程研究、工程预测、优化设计和计算机辅助设计等的发展。但在工程实际中使用数值计算原理与方法却存在一些问题：例如有些人因缺乏对有限元和工程性质的深入了解，而有限元的迅速发展给他们造成一种假象，认为它是万能的，可以处理几乎所有的岩土工程问题；同时他们又被有限元计算结果的精度所迷惑，不了解这些精确结果后面所隐藏的不确定性，也不了解这些数值方法所采用本构模型的局限性以及相应参数的不确定性；因这些不确定性导致数值计算原理与方法的预测结果与实际情况和实际经验相差很大，又由于部分人计算偏于保守，使得岩土工程师难以接受现代数值计算原理与方法。

1. 岩土工程数值计算原理与方法也具有两面性。

有些人偏向于用其进行岩土工程的分析计算的原因在于：

(1)数值计算原理与方法能够做任何传统的分析方法所能做到的分析与计算，而且做得更多、更好。

(2)数值计算原理与方法能够给出复杂数学模型的解。因而能够从机理上预测工程性质，而不是统计和经验性的描述，这是一大优点；而简化或经验分析方法有时只能描述其表面或形式上(统计)的关系，缺乏物理机制的描述和探讨。

(3)该方法既能处理简单问题，也能处理复杂问题。

数值计算原理与方法难以被其他人接受的原因在于：

(1)使用复杂，难以被很好的掌握。

(2)数值计算原理与方法本身的不确定性(指与精确的解析方法相比所产生的不确定性，特别是在岩土动力非线性问题中这种不确定性会很大)导致预测结果与工程实际不符。

(3)数值计算原理与方法所使用的物理模型或本构模型有局限性，难以反映实际情况，导致预测结果与工程实际不符。

(4)采用复杂模型要求较多的参数，而这些参数难以用简单试验获得。

(5)既然数值计算原理与方法和传统的分析方法都具有很大的不确定性，还不如采用传统的分析方法，因为传统的方法简单、实用。

(6)精确的数值分析结果会误导使用者迷信这些结果的精确性，而没有认识到其后面隐

藏的不确定性，进而导致工程事故。

2. 岩土工程数值计算原理与方法中存在的问题

到目前为止，研究计算工程的文章很多，但真正用于实际工程的数值计算原理与方法(例如有限元法等)却较少。部分原因在于有较多不成功应用的实例。为什么会有这种情况，原因是多方面的，下面列出几条仅供参考：

(1)对岩土工程数值计算原理与方法缺乏系统的知识和深入的理解，出现问题时不知道在什么情况下属于理论问题或数学模型问题；在什么情况下是属于计算方法问题或本构模型问题；在什么情况下是参数的确定问题或计算本身的问题等。

(2)各种本构模型固有的局限性。具有多相性土的物理力学性质太复杂，难以准确地用数学模型和本构模型描述。例如邓肯一张模型不能反映剪胀性，不能反映压缩与剪切的交叉影响；模型只能考虑硬化，不能反映软化；模型不能反映各向异性。剑桥模型也仅能考虑硬化而不能反映软化，不能反映土的剪切膨胀和各向异性，不能用于超固结土等。

(3)现有的试验手段和设备不能提供适当、合理和精确的参数。靠少数样本点所获得的参数难以准确地描述整个空间场地的物理力学性能；土的参数因土样扰动难以高质量的获取，其精度很差。有些模型要求较多的参数，但这些参数用常规的试验手段和设备难以获取等。岩土工程中如何应用精确的数学模型和本构模型是一个值得注意的问题。在一般结构分析中，因材料的力学性质简单、均匀，不确定性较小，一般采用较精确的数学模型会得到较精确的分析结果。但就土这种材料而言，因其不确定性非常大，其情况发生了很大的变化。众所周知，场地土性及其参数勘察结果的精度和准确性是很差的，由此导致既使采用了很精确的数学模型，但因输入参数的精度不能与之相匹配，其计算结果同样会很差。采用精确的数学模型还会给人造成一种错觉，让人觉得其计算结果也一定会更好、更可靠。这样可能使人们忽略了精确的数学公式也照样会有出错的可能性。只有当输入参数的质量和精度很高，并能与数学模型的精度相匹配时，才有可能得到较为准确的计算结果。这里需要注意的是，计算模型还要能正确地反映土工问题的实际情况。

3．正确使用数值计算原理与方法的要求

正确地使用数值计算原理与方法，要求使用者具有系统深入的理论知识以及在实际工程中具有一定的使用经验和技巧。在工程实践中正确、有效地使用数值计算原理与方法的基本要求如下：

(1)对从事研究工程的性质和数值计算原理与方法有系统的知识和深入的理解，具有一定的工程经验和工程判断能力。

(2)知道各种本构模型的局限性以及各种参数的不确定性和其局限性。了解各种试验所能提供的参数及其可用性和粗糙性。只有这样，才能选择恰当的、工程应用所需要的模型与参数。

(3)熟知分析软件，并有使用这些软件的工程经验以及工程判断能力。这种工程经验是经过多年反复的数值分析预测与现场观测资料的分析对比后积累起来的。

4．解决问题的措施

要使岩土工程数值计算原理与方法成为真正有效地解决实际工程问题的工具，可采用以下一些措施：

(1)加强对土的本构模型的教学与培训，了解和掌握各种土的本构模型的优点和局限性以及模型参数的离散性。

(2)在使用数值计算原理与方法的同时，不断地积累使用经验，包括他人的经验。

(3)在丰富的使用经验基础上，建立相应的使用规范。

(4)开发和研制更多、更好的仪器设备，以提供更加准确、合理、可用的参数。

5.结语

20世纪60年代以后，由于电子计算机的飞速发展使岩土工程数值计算原理与方法得到不断发展和完善，并用于岩土工程实践。虽然在工程实际使用中数值计算原理与方法存在一些问题，但只要认清问题的实质，并采取措施去解决它，相信随着岩土工程数值计算原理与方法的不断发展及其工程经验的不断积累，在工程实践中将会得到越来越多的应用，它必将成为岩土工程分析中的有力工具。