岩土工程设计思维分析论文

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编者按：本论文主要从测试技术；分析方法等进行讲述，包括了原位测试技术、物探测试技术、岩体结构面网络模拟技术、数值分析、本构模型研究、岩土工程的不确定性问题、模糊理论在岩土工程中的应用已较普遍、分数维理论是近十几年发展起来的热门科学等，具体资料请见：

摘要：岩土工程学是土木工程的分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。现代的岩土工程研究重视地质过程机制分析、强调岩土与工程相结合，定性分析与定量评价相结合，传统与现代的统一。在系统分析中，从“宏观”到“微观”，又从“微观”拓展到“宏观”进行概化，以指导实践，从而产生岩土工程的新思维与新方法。

关键词：岩土工程；测试；分析；不确定问题

岩土工程研究的对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而有着复杂的结构和地应力场环境。而不同地区的不同类型的岩体，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有很大的差别。岩石出露地表后，经过风化作用而形成土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。

1测试技术

1.1原位测试技术

随着岩土工程的兴起，原位测试设备和技术不断发展和更新。在土基方面，除了静力触探、圆锥动力触探、标准贯入试验等外，深基静载、高压旁压、自钻旁压仪等在较大深度以下测定地基岩土体承载力、变形参数成为当今原位测试的主要方向。高精度压力传感器和位移传感器的引入，使测试仪器的性能有了较好的改善。由于应用计算机技术对数据、图形、信息采集、分析判别完全程序化、规范化，因而达到高效、准确的目的。在岩基方面，岩体现场变形、抗剪、应力测试继续广泛应用，并向小型化、自动化控制方向发展，但总的来讲，这方面的试验仍然耗资大，时间长。

1.2物探测试技术

物探技术在岩土工程中的应用十分普遍，新技术也层出不穷。主要有层析成像（CT）技术、电磁波透视、浅层地震、地质雷达、声纳剖面、瞬变电磁法等。应当指出，层析成像（CT）技术近年来发展很快，CT技术包括地震波层析成像和电磁波、声波层析成像两种，这种方法具有很高的分辨率。

1.3岩体结构面网络模拟技术

岩体是一种不连续介质，岩体发育的各种不同成因的结构面分布极为复杂。人们在工程现场选择有代表性地段，实地量测各类结构面（断层、裂隙、层面）的几何参数（走向、倾斜、倾角、隙宽、间距等），然后输入计算机，进行统计模拟。可应用蒙特卡洛方法按已知的概率密度函数抽样，从而得出与实际分布函数相似的人工随机变量，据此进行特征计算和分布类型检验。所有结构面结合起来即构成了岩体结构面网络图像，全部过程由计算机完成。

由于结构面网络反映了岩体的介质特性，所以这一技术有广泛的用途。可以直接计算结构面连通率、岩石质量RQD值、损伤张量、分形维数和渗透张量等，以用于边坡和坝基的稳定分析。近年来又发展了随机不连续面三维网络计算机模拟新技术，以求取不连续面三维空间基本参数。

2分析方法

2.1数值分析

在岩土力学的数值分析中，有限元法、边界元法仍然是主要方法，但已向随机有限元、模糊有限元方向发展。近年来又出现了神经元网络技术用于岩石力学，神经元网络是80年代后期迅速发展起来的人工智能的一个分支。它是在现代神经科学研究的基础上提出来的反映人类脑动能的一种模型。它由树突、轴突和突触组成。如已知若干组输入数据，亦已知其最终输出结果，利用机器学习来调整各单元之间的权值，使之能最佳适应已知诸例的结论。神经元网络用于预测岩石力学特性的最大优点是，可以把有关地质因素，即便是描述性因素也可以做为变量输入，但其输出结果离散性较小，其用法与回归分析和经验公式类似，但程序不同。

以极限平衡法进行边坡稳定分析有新的进展，主要是把滑动的二维问题变为三维问题，考虑每一条块的测向压力、地下水动、静压力及地震力的作用。另外，也有人从整体边坡破坏机理入手，直接求出边坡安全系数，省去了试求或优化滑动面的过程，较好地解决了复杂边坡的稳定分析问题。

2.2本构模型研究

在经典土力学中沉降计算将土体视为弹性体，采用布西奈斯克公式求解附加应力，而稳定分析则将土体视为刚塑性体，采用极限平衡法分析。但实际工程土的应力—应变关系是很复杂的，具有非线性、弹性、塑性、粘性、剪胀性、各向异性等等，同时，应力路径、强度发挥度、以及岩土的状态、组成、结构、温度等均对其有影响。

开展岩土的本构模型研究可以从两个方向努力：一是努力建立用于解决实际工程问题的实用模型；一是为了建立能进一步反映某些岩土体应力应变特性的理论模型。理论模型包括各类弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型、粘弹塑性模型、内时模型和损伤模型，以及结构性模型等。它们应能较好反映岩土的某种或几种变形特性，是建立工程实用模型的基础。工程实用模型应是为某地区岩土、某类岩土工程问题建立的本构模型，它应能反映这种情况下岩土体的主要性状。用它进行工程计算分析，可以获得工程建设所需精度的满意的分析结果。

在以往本构模型研究中不少学者只重视本构方程的建立，而不重视模型参数测定和选用研究，也不重视本构模型的验证工作。在以后的研究中特别要重视模型参数测定和选用，重视本构模型验证以及推广应用研究。只有这样，才能更好为工程建设服务。

2.3岩土工程的不确定性问题

岩土体是一种变异性很大的工程材料或工程介质。因此，很难用确定的量来描述岩土体的各种性质。岩土工程中的不确定性主要来自下列3个方面：（1）岩土体本身固有的不均匀性——岩体从建造到改造的过程中，由于物质分异、构造作用、断层裂隙的生成所引起；（2）勘察取样和参数估计的随机性——边界条件不准、测试技术误差及取样数量不足所引起；（3）模型误差导致的不确定性——物理力学模型和计算方法的不准确或多解性所引起。

岩土工程的不确定性导致了当前岩土体测试技术的精密性、确定性和岩土体性状宏观判断的模糊性、随机性之间产生极大的矛盾，使人们对传统的定值法设计得出的安全系数能否表达工程的真实安全度产生了凝问，这就是目前岩土分析与评价难以满足工程要求的主要原因。

当前，应用于岩土体不确定性分析的理论主要有概率论、模糊论、灰色系统理论及分数维理论（分形几何）等。

概率理论是处理岩土体不确性问题的一个有效工具，它可以指导随机参数的取样和试验设计，建立岩体工程概率模型和计算破坏概率，可以评价工程的可靠性和风险度，进行优化设计和决策。

模糊理论在岩土工程中的应用已较普遍，它用隶属函数代替确定论中非此即彼的特征函数来描述那些边界不清的过渡性问题。模糊模式识别和综合评判理论对那些受多因素影响的问题，如岩体环境评价、岩体分类、强度预报等显示出广阔的应用前景。

灰色系统理论研究事物的“灰度”、“灰数”、“灰关系”等特征，在社会科学和自然科学的各个领域得到了广泛的应用。在岩土工程中，可应用灰色系统理论进行岩体分类，采用灰色建模进行滑坡发生时间的预报和地下水位预报；利用灰关联度分析原理确定影响岩土工程稳定性的主次关系等。

分数维理论是近十几年发展起来的热门科学。应用分数维理论，可以对岩体中不规则的杂乱无章的裂隙系统的几何特征进行描述。

结束语：经过几十年的发展，岩土工程学在我国国民经济建设中发挥了重要作用，但在整体上仍是一门年轻学科，我们既要发展新理论、新方法，用以指导实践，又要大力加强基础工作，尤其是要重视地质第一性资料的收集。要加强勘探、测试设备小型化、轻便化、自动化、多样化的开发试验，加速定量化进程，加强与工程密切结合的机理研究，不断博采众长、发展自己，才能使岩土工程学更好的服务于经济建设。