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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2013-03-23

作者：君之枫

浅谈岩土工程数值模拟的学习和应用

1.   引言
近年来，随着中国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W. Clough 上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。
从作者自身的学习和使用经验来看，虽然岩土工程数值模拟的学习方兴未艾，但还存在诸多问题。因此，作者从岩土工程专业的特点出发，结合自身在学习和教授岩土工程数值模拟方面的一些心得体会，对该领域的学习提出一些看法和建议，以期对岩土工程数值模拟的初学者们提供一些有益的帮助。
2.      岩土工程数值模拟的基本原理
一般而言，岩、土体处于三向受力状态，其破坏模式往往表现为压-剪破坏和拉伸破坏。要分析和预测岩、土体在外力作用下的变形、破坏，就需要对其变形、破坏情况进行较为直观地再现。岩土工程数值模拟正是从岩、土体的受力状态出发，来分析和预测岩、土体破坏情况的一种手段。其基本原理是以典型试样的物理试验（室内试验或现场试验）获得的强度来表征整个地质体的岩、土体强度，以边界条件替代地质体周围所受的约束条件，借由本构关系表达岩、土体在外力作用下的应力-应变特性，最终了解、预测岩、土体变形破坏情况。它具有鲜明的时代特征，以计算机为实现平台，是信息化时代的产物。它当前的发展趋势是，通过与其它方法（如人工智能、人工生命科学、随机模拟、模糊数学、灰色理论以及分形理论等）交叉共生、相互耦合嫁接，以获得更广阔的发展空间。
从广义上来说，岩、土体的室内试验和原位试验也是一种模拟手段，本文称之为物理模拟。之所以如此称谓，是因为它们也是为较真实地近似再现岩、土体在其所赋存的环境中所处的受力状态所采用的一种手段。从这个意义上来说，它与数值模拟的基本原理是相同的，因此，可以将数值模拟称为虚拟实验室模拟。所不同的是，数值模拟除可以进行常规尺寸模型的模拟外，还可以进行宏观和细观两个层面尺寸模型的模拟，而其输入的参数则需通过物理模拟来提供。因此，数值模拟是与物理模拟并行发展、相互补充和相互验证的试验系统。相较于其它方法，数值模拟具有可重复和操作性强，费用低廉，不受模型尺寸控制，可视化程度高的优点，能有效延伸和扩展分析人员的认知范围，为分析人员洞悉岩、土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。当然作为一种分析方法，它也有自身的缺点，主要是易受制于岩、土体结构的描述和模型概化的准确性及合理性；受制于岩、土体物理试验模拟结果的准确性；受制于岩、土体本构关系与实际岩、土体力学响应特性拟合程度的高低。
3.      应具备的基础
作为一种分析手段，岩土工程数值模拟需要使用者具有较强的理论基础和专业素养。其理论涵盖数值分析、数理方程、弹塑性力学、程序设计、岩体力学、土力学和工程地质学等多个学科。倘若对这些学科的知识没有一定的了解和掌握，数值模拟难免会成为一个只会机械执行指令的“计算器”。根据作者观察和模拟经验，很多时候模拟计算结果的不合理，在于使用者进行模拟时边界条件设置不正确和参数取值不合理，更深层次的原因则在于使用者的数理、力学知识不扎实和专业知识的匮乏。
       当然，模拟结果使用的好坏，也需要使用者具备一定的工程经验。岩土工程的一个显著特点就是它的“半定量和半经验性”，因此，工程经验十分重要，只有积累和具备了一定的工程经验，才能确知如何使用计算结果。
4.     对待和使用岩土工程数值模拟的态度
尽管数值模拟是一种强大的分析手段，但我们在使用时应有清醒的认识。个人以为，在岩土工程的分析和研究中，应该采取如下的态度进行使用：
（1）模拟只是一种手段和工具，应用水平的高低主要取决于使用者本身的水平。
（2）数值模拟不是万能的，我们不要过于迷信它的结果，因为有很多不确定性因素（如取样的合理性、参数的准确性、本构模型的合理性、计算方法的精确性等）制约它给出精确和可信的结果。
（3）如R.W.Hamming（1973）所言“The purpose of computing is insight, not number!”模拟的最终目的是为了分析和发现岩、土体的破坏机理，不应着眼于于计算结果的精确性。
（4）如Evert Heok（2004）所言，通常情况下，应实际条件优先，计算结果只是用来作指导实际决策、澄清疑问或不确定性之用；在给定的分析条件下，把计算结果看得太重要，并据此作出决定是非常不明智的。
5.      学习方法和经验
以作者的经验和一般的学习规律而言，岩土工程数值模拟应该遵循从简单到复杂的学习过程，因为驾驭复杂模型需要一定的模拟经验和理论功底。具体来说，就是从最简单的三轴数值模拟试验开始，从静力分析入门，逐步扩展至各个研究领域。岩、土体一般处于三向受力状态，三轴试验是最简单的一种模拟方式。从本质上来说，其它试验模拟只不过是在模型尺寸及形态、边界约束条件、外荷载条件有所变化而已，因此理解和掌握了三轴数值模拟试验，即可快速的入门进行更高层次的数值模拟分析。图1为某次FLAC^3D模拟中的一三轴试验模型及其约束条件，图2为FLAC^3D用户手册中一含地下水面的凹形边坡及其约束条件。对比这两张图可以发现，这两者仅边界约束条件、几何形态和外部荷载有区别，而其分析过程并无不同，只是在网格模型的建立、静水压力的施加和计算时间耗费的时间更长一些。