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沈珠江:关于计算岩土力学发展前景的几点看法

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发表于 2013-8-17 23:54:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
关于计算岩土力学发展前景的几点看法
               沈珠江(南京水利科学研究院,210029;清华大学水利水电工程系,100084)


     提要 岩土工程建设至今还不能脱离经验,但岩土力学的长足进展已使许多工程的设计逐渐摆脱完全依赖经验或半经验的状况,数值计算在未来的岩土工程设计中将会占据越来越重要的位置。本文探讨了计算岩土力学近期可有取得的进展并应加强研究的几个问题。
    一、前言
有限元法在我国普及的初期,许多工程师对数值分析能否解决实际问题曾抱着怀疑的态度,但是不少有识的技术领导还是给予热情的支持。记得上世纪80年代初在组织三峡深水围堰第一轮多单位协作分析计算时,长江水利委员会司兆乐总工曾提出计算分析结果能达到“精确定性、粗略定量”的目标。到今天,虽然不能说这一目标已完全实现,但对相当一部分岩土工程来说,做到这一点已没有困难。当然,岩土工程的设计和施工在今后相当长的时期内仍需要工程师们的经验,但是,在科学技术飞速发展的今天,数值分析技术必将越来越成为人们必须依赖的工具。

    同样,在岩土力学研究中,计算也已成为和实验一样不可或缺的手段。在某些特殊情况下数值模拟甚致可以代替实验。而离心模型试验与数值模拟的相互配合,已经成为解决岩土工程问题的一个重大研究方向。
本文将就21世纪岩土工程数值分析的发展前景提出一些看法,基于作者专业知识的局限,重点探讨土力学问题的数值分析问题。

    二、大型工程的数值模型
大型工程不仅投资大,而且工程安全往往对国计民生有重大影响,数值分析已成为论证其安全性的一个重要手段。下面举几个例子。

     1、三峡深水围堰
    三峡深水围堰设计阶段曾进行过两轮由众多单位参加的数值分析。第一轮计算在1985~1987期间进行,当时的主要结论是防渗墙顶部的最大位移可能达1m 。墙底嵌入基岩处则可能产生较大的拉应力而断裂。第二轮计算在三峡工程开工后于1993~1995期间进行,此时的设计方案已作为一些改动,特别是吸取了第一阶段的研究成果,把刚性混凝土防渗墙改成塑性混凝土防渗墙,同时围堰主体的风化砂的计算参数也有一定的提高。最后得出墙顶最大位移在36.7~51.0cm之间,防渗墙底部拉应力大大降低,从而基本上是安全的结论。围堰竣工后已经过1998年洪水的考验,实际墙顶最大位移为56.7cm。

    2、鲁布革心墙堆石坝
鲁布革坝是我国改革开放后第一座按现代技术设计的100m级心墙堆石坝。该坝也组织过众多单位参加的两轮计算。第一轮在设计阶段1984—1985期间进行,第二轮则在1987—1988期间进行,此时坝体已大部填筑完成,计算参数根据实际填筑情况重新测定。第一轮计算得出最大沉降在93~161cm之间,第二轮则有所减小,实测值为60.5 cm。

    3、上海外环线越江隧道格构式挡墙
外环线沉管隧道两翼格构式挡墙最大高度达40m以上,开挖过程中的稳定和变形是令人担心的。为此进行了三维有限元分析。此格构墙形状十分复杂,计算中布置了22612个结点。计算得出开挖结束时向江的最大位移为15.3cm,岸上加载且逢低潮位时进一步增大到21.7cm。由于计算参数是根据经验假定的,上述计算结果的可信度不会很高,但在说明安全性大体上可以保证的同时,计算结果显示了格构墙整体呈复杂的扭转变形和混凝土墙中存在明显的拉应力区,为设计时合理布置钢筋提供了依据。

   以上几个算例说明,按目前的岩土力学水平,要使计算误差低于10%尚是奢望,但是,如果排除施工条件与原计划相差过远的情况,预测的位移误差控制在50%以内是可以达到的,应力的误差则可能更大一些,但是对工程造成危害的拉应力区的位置则大体上是可信的。

    三、复杂问题的数值模拟
实践表明,目前的计算岩土力学水平还只能应付简单的加荷过程和简单的研究对象,相当多的实际问题尚无法进行数值分析,其中某些问题的数值模拟随着研究的深入在近期可能取得重要的进展。下面分两类问题作一些说明。

   1、复杂加荷条件
  (1)应力路线转折和主应力轴旋转,其中相对简单的如水库蓄水期的主应力轴偏转问题目前已取得一些进展,但风浪荷载下海床中主应力轴旋转而引起的砂土液化问题则尚在摸索之中。
  (2)反复荷载下土的液化问题,目前只能作粗略的估计(平均过程理论),如何进行精细的模拟(波动
过程理论)尚在探索之中。
  (3)爆炸等动力荷载下的砂土液化和粘土流动,目前还很少有人进行数值模拟的尝试,今后应加强研究。

   2、复杂的研究对象
(1)结构性粘土的数值模拟正在取得进展。长期以来,人们对常见的天然软粘土的R形压缩曲线(图1)无法进行分析。笔者建议的结构性模型已为这类问题的解决提供了必要的条件。
(2)与非饱和土有关的问题,如黄土的湿陷,膨胀土的湿胀和冻土的融陷,随着上世纪90年代初非饱和土固结方程的建立,已经可以对黄土和膨胀土进行初步的计算。冻土问题涉及相变,更复杂一些,但近几年来也已取得一定的进展。
(3)渐进破坏过程的模拟,这是岩土力学中难度最大的一个问题,尽管近年来这方面的论文很多,提出的种种理论和分析方法难以统计,但所有的研究对象只限于试样中剪切带形成问题,暂时还看不到应用于解决实际工程问题的前景。
(4)土与结构共同作用,这是一个老问题,尽管已经有一些比较成熟的计算方法,但不能说问题已圆满解决,特别是接触面的处理方法。随着近年来土工合成材料和锚碇加固技术的大量应用,这方面新出现和要求解决的问题很多。

   四、地质现象的数值模拟
到目前为止,除了大范围的地壳运动以外,地质学家对地层的研究大多限于定性的描述。就岩土工程界来说,如果能通过数值模拟了解建筑工地附近的局部地质过程,对工程的设计和施工无疑具有积极的意义。下面就目前已有可能着手进行的三个任务提出一些看法。
    1、初始地应力的模拟
    初始地应力分布对岩土变形的计算结果有重大影响。岩石力学界已有一些论文探讨从少量实测地应力值推算当地的地质过程。土力学界亦早已知道,假定不同的初始侧压力系数算出的开挖位移将有很大差别。但这方面的研究还很少,今后需要加大力度。
   2、 风化过程的模拟
    风化过程发生在地表附近岩层中,除了因地质过程失去上部覆盖层而引起卸荷这一力学因素外,还与温度循环和湿度循环等物理因素及雨水淋溶和地下水侵蚀等化学因素有关。同样的现象也发生在硬粘土中,在这里干湿循环引起的地表龟裂无疑对其力学性质的劣化起着决定性的作用。由于问题的复杂性,目前似还无人尝试过对风化过程的数值模拟。这一工作无论对深入了解风化过程本身还是在风化区进行工程建设,均是十分有意义的,新一代的岩土力学工作者应当义不容辞地挑起这一担子。
    3、硬壳层形成过程的数值模
   水下沉积的软土层表面往往有一硬壳层。软土地基设计和施工中利用好这一硬壳层,无论对节约投资和保证工程安全均有重大意义。硬壳层的形成与地表出露引起的水分蒸发有关,目前也似无人专门对此进行过研究。

    五、碎化过程的数值模拟
    岩土工程中经常需要对地层进行开挖。挖方引起的岩土材料劣化现象已越来越受到注意。前不久国内有人提出建立岩石力学新分支的主张以专门研究挖方引起的问题,并把这一新分支称为“卸荷岩石力学”或“采动岩石力学”。但对Mohr—Coulomb材料来说,加荷还是卸荷显然不能简单地根据荷载增加还
是减小来判别。如图2中AB和AC两条应力路径都可以导致材料的破坏,不能说前者是加荷而后者是卸荷。岩石力学应当对两种路线的破坏过程都进行研究。不宜专为研究AC的破坏过程而另立一个分支。但是,人们也应当重视他们的意见,即AC过程和AB过程有重大的不同,后者往往伴随着岩体中裂缝开展和不断破碎的劣化过程。如果把自然条件下岩层的劣化过程称之为风化,则为了区别起见,不妨把人工开挖所引起的劣化过程称之为碎化。硬粘土层中进行开挖同样会遇到碎化过程。对这一过程进行数值模拟正是岩土力学工作者当前面临的重大挑战。
如果排除岩石中原有的节理和裂隙,碎化过程似与岩石组成中不同性质的结晶体界面分离有关,正如混凝土骨料与浆液凝固体之间的界面容易因应力集中而剥离一样。但是,目前这类研究尚停留在细观上探索阶段。宏观上断裂力学只能研究完整岩体中少数几条裂缝,无法应付大量裂缝和碎块并存的情况。损伤力学当然会有应用前景,但不宜简单地把金属损伤力学的概念搬过来用。在土力学中,笔者曾针对结构性粘土提出一个可以描述碎化过程的砌块体模型(图3)。这一模型认为土体的塑性变形由两部分组成,一部分源于块体之间的滑移,可以通过传统的屈服函数描述,另一部分则由块体的破碎引起,可以通过引入一个新的损伤函数求得。这一模型是否可以推广用于分析岩体的碎化过程,尚有待研究。

    六、结语
    计算岩土力学的研究,分计算方法和计算模型两个方面。为了完成前面提出的任务,当然两个方面都需要研究。由于涉及的往往是强非线性问题和多变量耦合问题,计算结果的精度和稳定性也是必须关心的,所以计算方法的研究也是很重要的。但是应当说,计算岩土力学的核心问题是本构模型。尽管岩土材料的本构模型研究已有30年以上的历史,但至今尚未摆脱传统弹塑性理论的框框,建立起符合岩土材料自身特点的本构模型。岩土力学界在这一问题上正在取得共识,本构模型研究取得突破的前景已经在望。相信在今后20~30年内,计算岩土力学一定会取得令人瞩目的进展。


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