淺談巖土工程數值模擬的學習和應用

1. 引言

近年來，隨著中國大規模地進行“西部大開發”和“南水北調”等巨型工程，越來越多的巖土工程難題擺在我們面前，單純依靠經驗顯然已不能有效指導工程問題的解決，迫切需要更強有力的分析手段來進行這些問題的研究和分析。自R.W. Clough 上世紀60年代末首次將有限元引入某土石壩的穩定性分析以來，數值模擬技術在巖土工程領域取得了巨大的進步，并成功解決了許多重大工程問題。特別是個人電腦的普及及計算性能的不斷提高，使得分析人員在室內進行巖土工程數值模擬成為可能。在這樣的背景下，數值模擬特別是三維數值模擬技術逐漸成為當前中國巖土工程研究和設計的主流方法之一，也使得巖土工程數值模擬技術成為當今高校和科研院所巖土工程專業學生學習的一個熱點。

從作者自身的學習和使用經驗來看，雖然巖土工程數值模擬的學習方興未艾，但還存在諸多問題。因此，作者從巖土工程專業的特點出發，結合自身在學習和教授巖土工程數值模擬方面的一些心得體會，對該領域的學習提出一些看法和建議，以期對巖土工程數值模擬的初學者們提供一些有益的幫助。

2. 巖土工程數值模擬的基本原理

一般而言，巖、土體處于三向受力狀態，其破壞模式往往表現為壓-剪破壞和拉伸破壞。要分析和預測巖、土體在外力作用下的變形、破壞，就需要對其變形、破壞情況進行較為直觀地再現。巖土工程數值模擬正是從巖、土體的受力狀態出發，來分析和預測巖、土體破壞情況的一種手段。

其基本原理是以典型試樣的物理試驗（室內試驗或現場試驗）獲得的強度來表征整個地質體的巖、土體強度，以邊界條件替代地質體周圍所受的約束條件，借由本構關系表達巖、土體在外力作用下的應力-應變特性，最終了解、預測巖、土體變形破壞情況。它具有鮮明的時代特征，以計算機為實現平臺，是信息化時代的產物。

它當前的發展趨勢是，通過與其它方法（如人工智能、人工生命科學、隨機模擬、模糊數學、灰色理論以及分形理論等）交叉共生、相互耦合嫁接，以獲得更廣闊的發展空間。

從廣義上來說，巖、土體的室內試驗和原位試驗也是一種模擬手段，本文稱之為物理模擬。之所以如此稱謂，是因為它們也是為較真實地近似再現巖、土體在其所賦存的環境中所處的受力狀態所采用的一種手段。從這個意義上來說，它與數值模擬的基本原理是相同的，因此，可以將數值模擬稱為虛擬實驗室模擬。所不同的是，數值模擬除可以進行常規尺寸模型的模擬外，還可以進行宏觀和細觀兩個層面尺寸模型的模擬，而其輸入的參數則需通過物理模擬來提供。因此，數值模擬是與物理模擬并行發展、相互補充和相互驗證的試驗系統。

相較于其它方法，數值模擬具有可重復和操作性強，費用低廉，不受模型尺寸控制，可視化程度高的優點，能有效延伸和擴展分析人員的認知范圍，為分析人員洞悉巖、土體內部的破壞機理提供了強有力的可視化手段。

當然作為一種分析方法，它也有自身的缺點，主要是易受制于巖、土體結構的描述和模型概化的準確性及合理性；受制于巖、土體物理試驗模擬結果的準確性；受制于巖、土體本構關系與實際巖、土體力學響應特性擬合程度的高低。

3. 應具備的基礎

作為一種分析手段，巖土工程數值模擬需要使用者具有較強的理論基礎和專業素養。其理論涵蓋數值分析、數理方程、彈塑性力學、程序設計、巖體力學、土力學和工程地質學等多個學科。倘若對這些學科的知識沒有一定的了解和掌握，數值模擬難免會成為一個只會機械執行指令的“計算器”。根據作者觀察和模擬經驗，很多時候模擬計算結果的不合理，在于使用者進行模擬時邊界條件設置不正確和參數取值不合理，更深層次的原因則在于使用者的數理、力學知識不扎實和專業知識的匱乏。

當然，模擬結果使用的好壞，也需要使用者具備一定的工程經驗。巖土工程的一個顯著特點就是它的“半定量和半經驗性”，因此，工程經驗十分重要，只有積累和具備了一定的工程經驗，才能確知如何使用計算結果。

4. 對待和使用巖土工程數值模擬的態度

盡管數值模擬是一種強大的分析手段，但我們在使用時應有清醒的認識。個人以為，在巖土工程的分析和研究中，應該采取如下的態度進行使用：

（1）模擬只是一種手段和工具，應用水平的高低主要取決于使用者本身的水平。

（2）數值模擬不是萬能的，我們不要過于迷信它的結果，因為有很多不確定性因素（如取樣的合理性、參數的準確性、本構模型的合理性、計算方法的精確性等）制約它給出精確和可信的結果。

（3）如R.W.Hamming（1973）所言“The purpose of computing is insight, not number!”模擬的最終目的是為了分析和發現巖、土體的破壞機理，不應著眼于于計算結果的精確性。

（4）如Evert Heok（2004）所言，通常情況下，應實際條件優先，計算結果只是用來作指導實際決策、澄清疑問或不確定性之用；在給定的分析條件下，把計算結果看得太重要，并據此作出決定是非常不明智的。

5. 學習方法和經驗

以作者的經驗和一般的學習規律而言，巖土工程數值模擬應該遵循從簡單到復雜的學習過程，因為駕馭復雜模型需要一定的模擬經驗和理論功底。具體來說，就是從最簡單的三軸數值模擬試驗開始，從靜力分析入門，逐步擴展至各個研究領域。巖、土體一般處于三向受力狀態，三軸試驗是最簡單的一種模擬方式。從本質上來說，其它試驗模擬只不過是在模型尺寸及形態、邊界約束條件、外荷載條件有所變化而已，因此理解和掌握了三軸數值模擬試驗，即可快速的入門進行更高層次的數值模擬分析。圖1為某次FLAC3D模擬中的一三軸試驗模型及其約束條件，圖2為FLAC3D用戶手冊中一含地下水面的凹形邊坡及其約束條件。對比這兩張圖可以發現，這兩者僅邊界約束條件、幾何形態和外部荷載有區別，而其分析過程并無不同，只是在網格模型的建立、靜水壓力的施加和計算時間耗費的時間更長一些。