马上研三毕业了,掐指算来,自己在岩土工程学科已经摸爬攻打快七年;而自己对学科的认识才渐渐有了轮廓,应该写一点东西,作为自己过去一段时间学习和实践的总结,也是将来继续前进的基础。
结合自己在教科书上的学习和理解、科研项目的探索以及生产项目中的实践,岩土工程学科的研究方法既有其他学科有共性也有自己的特性,共性是像其它所有学科一样,具有实践—认识—再实践的一般方法论,其特殊性在于工程学科是一个定性与定量相结合的学科,既不是纯粹的定性科学也不是完全的定量化学科,同时其研究手段多样化,所以岩土工程学科有自己独特的研究对象和研究任务,也有自己独特的研究方法。
本人理解,岩土工程学科主要研究方法为科学试验、理论分析、科学计算三个;基本研究步骤为:首先对某一课题进行科学试验(实验),这包括室内实验、模型实验、原位试验,从而得出最基本的原始数据;然后对这些数据进行理论分析,包括定性分析和定量分析,定性分析要用到物理力学知识和工程经验知识,其中定量分析要用到确定性数学工具比如数学物理方程、泛函分析等和非确定性数学工具比如非线性统计、概率分析等,通过定性分析抓住主要因素提出概念模型,通过定量分析提出模型的参数和边界函数,对概念模型定量化或者半定量化,总之是一个抽取本质建立本构模型的过程;第三步,就是对建立的模型进行科学计算,也就是解析求解或者数值求解,往往能解析求解的问题不多,于是有限元、有限差分、边界元、无单元法数值求解方法无疑对岩土工程模型求解是一个强有力的工具。由于岩土工程学科的研究对象岩土体具有高度复杂性和非线性特点,所以传统的一次建模理论在目前的知识局限性下是远远不能解决问题的,不断重复优化建模这个过程同时将前一时间点的信息反馈给当前模型不断进行修正,实现基于信息反馈和工程控制的岩土问题解决方案是目前唯一可行的途径。
这里特别强调两点,1.信息反馈问题,信息作为能量在时间和空间的分布,对于模型的修正是至关重要的;2.过程控制问题,解决岩土问题是一个不断认识不断优化的过程,希望施工前一次解决在目前看来是不现实的,特别是复杂岩土工程,而且岩土的工程行为大部分为不可逆的,这更加确定了岩土施工工程必须采用信息化施工。
岩土工程学科理论在不断发展,新的理论和方法不断提出,有些是对原有方法的改进,有些是对岩土新领域的突破,但是科研中提出的方法理论能否应用到实践中,有几个基本条件必须满足:1.满足工程精度要求,2.计算结果尽量偏保守一点,3.参数和边界条件容易获取,数学形式尽量简化。 经过中试检验成功后,就可以作为规范方法推广到生产实践中。
具体工作开展中,一般思路是:岩土工程勘察采用基于总结归纳的思路,将岩土体的结构和边界条件进行提取;岩土工程设计根据结构与岩土相互作用机理,选取合适的计算模型,采用反演和工程经验相结合的方法确定岩土参数(岩土工程领域中,通过反演或者工程地质条件类比得到参数,最后正演模型的解是当前岩土工程的一个趋势),设置适当的安全系数,进行正演计算,如果岩土体受地质过程控制,比如峡谷岸坡的卸荷问题、土层的前期固结问题、岩体的前期剥蚀问题等等,还需要工程地质系统分析;岩土工程监测得到的信息作为参数反演的依据以及模型修正的反馈信息十分重要。
以上仅仅是个人的理解,水平有限,肯定有不少错误,我也准备好了挨大家的板砖;本文的目的是抛砖引玉,希望大家共同交流,共同提高!
祝岩土工程事业蒸蒸日上,岩土工程学科繁荣发展!