用新思路看沿巖土工程的發(fā)展

張翼

【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)問題的科學(xué)?，F(xiàn)代的巖土工程研究重視地質(zhì)過程機(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；測試；分析；不確定問題

Development of rock and soil engineering with new ideas

Zhang Yi

（Yunnan Province Nonferrous Geological Survey and Design Institute Foundation CompanyKunmingYunnan650051）

【Abstract】Geotechnical engineering is a branch of civil engineering， is the use of engineering geology， soil mechanics， rock mechanics to solve all kinds of projects on rock， soil engineering science and technology issues. Modern geotechnical engineering studies attach importance to geological process mechanism analysis， emphasizing the combination of geotechnical and engineering， qualitative analysis and quantitative evaluation of the combination of traditional and modern unification. In the system analysis， from "macro" to "micro"， and from "micro" to "macro" to generalize， to guide practice， resulting in geotechnical engineering new thinking and new methods.

【Key words】Geotechnical engineering；Testing； Analysis；Uncertainty

巖土工程研究的對象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)歷史過程中，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)過風(fēng)化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)過風(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. 測試技術(shù)

1.1原位測試技術(shù)。

隨著巖土工程的興起，原位測試設(shè)備和技術(shù)不斷發(fā)展和更新。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定地基巖土體承載力、變形參數(shù)成為當(dāng)今原位測試的主要方向。高精度壓力傳感器和位移傳感器的引入，使測試儀器的性能有了較好的改善。由于應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對數(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)場變形、抗剪、應(yīng)力測試?yán)^續(xù)廣泛應(yīng)用，并向小型化、自動(dòng)化控制方向發(fā)展，但總的來講，這方面的試驗(yàn)仍然耗資大，時(shí)間長。

1.2物探測試技術(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。

1.3巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)。

（1）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。人們在工程現(xiàn)場選擇有代表性地段，實(shí)地量測各類結(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)合起來即構(gòu)成了巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖像，全部過程由計(jì)算機(jī)完成。

（2）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。

（1）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，其用法與回歸分析和經(jīng)驗(yàn)公式類似，但程序不同。

（2）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)的二維問題變?yōu)槿S問題，考慮每一條塊的測向壓力、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)面的過程，較好地解決了復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定分析問題。

2.2本構(gòu)模型研究。

（1）在經(jīng)典土力學(xué)中沉降計(jì)算將土體視為彈性體，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)、溫度等均對其有影響。

（2） 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)際工程問題的實(shí)用模型；一是為了建立能進(jìn)一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。

（3）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要重視模型參數(shù)測定和選用，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題。

2.3.1巖土體是一種變異性很大的工程材料或工程介質(zhì)。因此，很難用確定的量來描述巖土體的各種性質(zhì)。巖土工程中的不確定性主要來自下列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)、測試技術(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。

2.3.2巖土工程的不確定性導(dǎo)致了當(dāng)前巖土體測試技術(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，這就是目前巖土分析與評價(jià)難以滿足工程要求的主要原因。

2.3.3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、灰色系統(tǒng)理論及分?jǐn)?shù)維理論（分形幾何）等。

2.3.4概率理論是處理巖土體不確性問題的一個(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。

2.3.5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)來描述那些邊界不清的過渡性問題。模糊模式識別和綜合評判理論對那些受多因素影響的問題，如巖體環(huán)境評價(jià)、巖體分類、強(qiáng)度預(yù)報(bào)等顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.6灰色系統(tǒng)理論研究事物的“灰度”、“灰數(shù)”、“灰關(guān)系”等特征，在社會科學(xué)和自然科學(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。

2.3.7分?jǐn)?shù)維理論是近十幾年發(fā)展起來的熱門科學(xué)。應(yīng)用分?jǐn)?shù)維理論，可以對巖體中不規(guī)則的雜亂無章的裂隙系統(tǒng)的幾何特征進(jìn)行描述。

3. 結(jié)束語：經(jīng)過幾十年的發(fā)展，巖土工程學(xué)在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，但在整體上仍是一門年輕學(xué)科，我們既要發(fā)展新理論、新方法，用以指導(dǎo)實(shí)踐，又要大力加強(qiáng)基礎(chǔ)工作，尤其是要重視地質(zhì)第一性資料的收集。要加強(qiáng)勘探、測試設(shè)備小型化、輕便化、自動(dòng)化、多樣化的開發(fā)試驗(yàn)，加速定量化進(jìn)程，加強(qiáng)與工程密切結(jié)合的機(jī)理研究，不斷博采眾長、發(fā)展自己，才能使巖土工程學(xué)更好的服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)。