巖土工程數值分析之我見（一）

巖土工程數值分析之我見（一）

———從巖土工程師的角度理解數值分析方法在巖土工程中應用

本文根據筆者在第七屆工程勘察總工程師論壇上的報告《巖土工程數值分析：錦上添花？還是一錘定音？》進行的改寫，由于篇幅較為冗長，擬拆分為2~3次交流。文中觀點僅代表個人觀點，如感興趣歡迎發郵件至yinji@sgidi.com索取PPT。

數值分析方法用于巖土工程領域估計超過四十年了，一直爭議不斷，業界對數值分析的看法大致有兩種觀點。一種是認為“數值分析”是華而不實的“花瓶”，

投標的時候充實一下，評獎的時候美化一下，碰到外行的時候忽悠一下，碰到同行的時候嚇唬一下，一言以蔽之，中看不中用（上述事情筆者均參與過）。另一種觀點是認為“數值分析”是解決問題的“利器”，除了可以量大面廣的常規問題，還可以處理復雜的、特殊的、缺乏經驗的、超出規范的問題。爭論歸爭論，但是數十年來，大家還是用的不亦樂乎。

業界有一種很流行的說法，說數值分析是RIRO（rubbish in , rubbish out），這點筆者非常同意。數值分析不是煉丹爐，弄點硼砂、硫磺什么的就能練出仙丹。如果數值分析能RIGO（rubbish in，gold out），那還要工程師干什么？這個顯然不符合客觀規律。也有人認為數值分析就是Magic（魔術），要什么就變什么，這點筆者也不否認，因為本人曾經也是“魔術師”之一。什么本構、什么參數、什么力學模型都是浮云，只剩下工程師對結果的“預判”，如果“預判”成功，就是工程師的勝利；如果“預判”失敗，就是數值分析的無能。

數值分析被看做是“花瓶”，筆者認為要從兩方面來看這個問題。一方面，巖土體作為一種天然的材料，其力學特性是極其復雜的，難以完全掌握的。雖然可以通過大量的試驗研究和巧妙的數學抽象后盡可能完備的描述土體的力學性狀，但巖土體成分、成因、結構千差萬別，目前沒有任何一個本構模型可以做到從剪切波速80m/s~800m/s的巖土體“通吃的”。如果選用了不合適的模型，則有可能和工程實際相去甚遠。另一方面，工程師應對從模型簡化、本構及參數選用、分析結構判斷等全過程負責，這實際上對使用者的要求是相當高的。如果缺乏工程經驗，對力學模型判斷失誤，對計算結果毫無敏感性，甚至變起了魔術或者輸入了一堆垃圾，那么分析的結果可想而知。

那為何又有不少的工程師將分析工具當做分析、解決問題的利器呢？

首先，我覺得用時髦點的話來說，“數值分析工具代表了先進的生產力”。軟、硬件技術在發展、本構理論在發展，能夠求解的規模越來越大，考慮的邊界條件越來越多，模擬的力學性狀越來越完善，用于校驗的案例越來越多?？傊?，數值分析這個工具在與時俱進，并通過了大量工程實踐的檢驗和修正。當然“工欲善其事，必先利其器”，選用合適的數值分析軟件以及高性能的硬件也是必需的。以筆者使用了十多年的ZSOIL.PC軟件為例，其豐富的巖土本構（HSS（土）、Hoek-Brown（巖））配合穩定、可靠、高效的求解器幾乎可以處理巖土工程領域所遇到的所有問題?，F在好一點的臺式機工作站（例如筆者使用的DELL T7610系列，128G內存）處理規?？梢赃_到百萬單元級別，而且即便復雜如HSS模型，也能在一天之內出結果。而這在以前內存以K計的年代是不可想象的。

其次，現在的項目越來越復雜、難度越來越大，必須要有強大的分析工具協助工程師做判斷。筆者在生產實踐過程中就遇到過不少沒有經驗可參考的項目，例如720m+超高層、40m+深基坑、降25m+承壓水、凈距離<2.0m的隧道穿越等等。如果采用基于規范分析的方法分析，有時候由于規范的局限性（規范的經驗大多由過去大量常規項目的經驗而來，比如說超高層的沉降經驗修正系數，大家可以看下附錄，其統計值基于的建筑物高度幾乎沒有超過300m的），容易顧此失彼，而過度的簡化又將導致過于保守。此時，采用可靠的數值分析工具協助分析和判斷是非常有必要的。特別的，現在很多項目都是變形量或者對環境的影響作為設計目標的，而規范方法對于變形的預測方面的指導實在較為稀缺。

下面舉幾個工程案例，或許能增加點感性認識。

案例一：某土-巖結合地區直立邊坡高度約30.0m，且坡頂即為采用人工挖孔樁和天然地基的5~18F高層，擬采用大直徑抗滑樁結合錨桿的方案。根據工程經驗，本項目應關注的主要問題為：支擋結構-上部結構的相互作用、邊坡穩定性、支擋結構的截面和配筋優化、支擋結構的變形。如采用基于規范方法（基坑規范）的樁錨體系分析，變形非常大，且無法評估對建筑物的影響。故本項目最終完全根據數值分析結果進行設計，且獲得了成功。

案例二：某300m+超高層項目，地基為泥質粉砂巖和灰巖交接區域，巖溶發育，擬采用天然地基（局部換填）的方案。需考慮不均勻地基對建筑物差異沉降的影響，變形控制是主要的設計考量。如采用基于規范方法的彈性地基板理論分析，則無法分析如此復雜的地層分布對地基剛度的影響。因此，基礎沉降采用上部結構-地基-基礎共同作用分析（地層模型、基礎模型、結構模型同時整合入數值分析模型），并作為主體結構院設計依據。

案例三：某島嶼上的吹填土（深厚淤泥質土）地區景觀河道駁岸設計，業主要求駁岸必須直立而且工期越快越好，駁岸后側堆載最大處80kPa（約5.0m堆土）。根據工期要求，貌似只能采用預制結構作為擋土結構。限于單根（排）預制結構受彎能力的限制，擬采用“多排門架式”結構。對于門架式支擋結構，基坑規范有針對雙排樁的分析方法，但本項目采用了3~5排樁，貌似規范方法也無能為力。最終本項目內力分析、穩定性完、預制結構截面及配筋（承載力）等均按照數值分析結果進行設計。