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岩土工程数值分析问题探究

发布时间:2018-02-05

  岩土工程是土木工程的分支,主要是指土木工程中涉及岩石、土、地下、水中的部分,我国的岩土工程力学发展距今已经有40多年的时间,在岩土工程力学变形计算中,土地常常被看作是弹性体;而在稳定分析中,土地则被看作是钢塑性体,但是由于变形计算和稳定分析是两种截然不同的关系,为了能够将两种不同的关系有机地联系起来,一些专家学者们试图建立现代士力学,并计划使用统一的应力-应变-强度关系进行计算,要想实现这一设想,就离不开岩土力学数值分析理论的发展,因而岩土工程数值分析问题受到了专家学者的普遍重视。
  
  1、岩土工程数值分析中要注意的关键问题
  

  在岩土工程数值分析的实际过程中,人们往往喜欢用简化后的物理模型来解决比较复杂的工程问题,然后再将其转变成熟悉的数学问题,最后利用数学解题的方法来解决数值分析难题。在实际运用中,连续介质力学模型应用最为广泛,主要包含以下几种方程:(1)运动微分方程,主要分为动力和静力两种形式;(2)几何方程,主要包含小应变分析和大应变分析,应用于不同的实际分析;(3)本构方程,主要用于力学问题的测算。
  
  岩土是大自然长期运转过程中的产物,岩土工程的分析也是一项复杂的大工程,为了能够获得科学合理的岩土数据,在实际操作中,就需要使用不同的方式,如果建立连续介质学模型后,那么在求解时,应建立好木构方程、包含小应变分析与大应变分析的几何方程、包含动力与静力的运动微分方程,同时还需要确定好边界条件与初始条件,只有做好了这些,才能得到方程的答案;如果工程问题非常复杂,那么就需要借助数值分析的方式来解决问题;如果材料为线性弹性体,本构方程就会发生转化,可以按照虎克定律来解决问题。
  
  一般来说,岩土材料是多相体的,在使用连续介质力学模型分析问题时,需要运用以下几种方程:(1)运动微分方程,也分为动力和静力两种形式;(2)有效力原理,总效力即有效应力和孔隙压力之和;(3)几何方程,包括小应变分析与大应变分析两种方式;(4)本构方程,包括力学和渗流本两种。
  
  值得注意的是,在解决不同的岩土工程数值分析问题时,基本方程中的运动微分方程、有效力原理、连续方程和几何方程的表达式基本相同,但本构方程却与前面几种有着较大的区别。因此,在进行具体的岩土工程分析操作时,我们需要根据具体的边界条件与相关的初始条件来解决问题,一般采用的方法多是数值分析,由于单元法对于边界条件与初始条件有着一些限定,本构方程适应性也相对较差,因此,要解决岩土工程的数值分析问题,必须要使用连续介质力学模型进行。
  
  2、关于岩土本构理论发展的思考
  
  力学中的虎克定律是一种简单的本构关系,岩土与其他的物质有着很大的差异,岩土的初始应力场很难确定,且土的变形、强度、渗透特性的确定也较为困难,然而这些又与矿物成分、形成历史以及环境因素息息相关,与岩土的应力状态、加荷速率、结构、水平、应力路径、应力状态有着密切的关系,因此说,岩土本构关系十分复杂,因此对本构模型的建立形成了一些困难,根据介质力学理论,必须要考虑到区域性特征以及工程的实际情况,并将其结合起来才能够建立起科学的本构模型,然后再根据实际情况分析岩土的工程数值,只有这样才能够获得科学准确的岩土数据。
  
  一些专家学者认为,对于岩土本构模型的研究应该包括两种,即科学型模型与工程实用性模型,科学型模型能够反映和揭示一些特殊的规律,如主应力轴旋转问题、土体剪胀性等等,这种模型虽然全面性相对较差,但是能够反映出一个以及几个特殊规律,与科学型模型相比来说,工程实用型模型比较实用、简单,参数也相对较少,更容易测定,比较适用于具体岩土工程的分析过程,因此,工程实用型模型的应用范围也较为广泛。
  
  3、数值分析在岩土工程中扮演的重要角色
  
  岩土是大自然长期运转过程中的产物,具有地域性特征,且初始应力场难以确定,同时岩土中的本构关系也较为复杂,目前获得行业工程师普遍认可的本构模型尚未出现。结构工程当前使用的材料均为均匀性较理想的钢材和钢筋混泥土,材料本身造成的误差比较小,然而岩土工程使用的材料是均匀性较差的岩土,因而材料本身造成的误差比较大。因此,在进行几何模拟的过程中,应该对工程的柱、梁与板进行单独的分析,以便最大限度地降低由于材料产生的误差,但是在分析复杂结构时,如果节点模拟工作未处理好,那么也会出现较大的误差,所以必须要做好节点模拟工作。
  
  另外,在岩土工程中,如果有超过两种以上的材料,那么界面模拟也会出现较大的误差。在本构模型的建立方面,考虑到结构工程的原始材料本构关系相对简单,因而在建立本构模型时,可以使用线性关系进行,这样就可以很好的降低模型的误差。在模型参数的测定方面,考虑到本构模型有着较大的误差,结构工程的初始应力较小,难以测定,对于数值也有着较大的影响,因此,岩土工程分析常使用非线性本构关系,在分析的过程中常需要迭代,迭代分析可能会出现较大的误差。 由此可以看出,岩土工程数值分析目前只用于定性分析,而岩土工程数值分析结果将是岩土工程师在岩土分析过程中进行综合判断的重要依据之一。
  
  4、结束语
  
  综上所述,由于岩土材料本身的特性,岩土工程初始条件和相关边界条件的一些限定,岩土工程数值分析现阶段只能用于定性分析,因此,在岩土工程设计的具体过程中,要重视概念设计和岩土工程师的综合判断,将二者进行有机的结合。岩土工程中数值分析的关键问题是本构模型及参数的测定,为了更好地提升岩土数据的准确性,岩土工程师必须要对区域的地质情况与工程性质有一个充分的认识,因地制宜,使用合理的物理模型,采用科学的方法进行分析与计算。

  参考文献:

  [1]杨小艳. 探讨岩土工程数值分析的几点思考[J]. 四川水泥,2017,(01):300.
  [2]牟俊杰. 对岩土工程数值分析的几点思考[J]. 企业技术开发,2015,34(12):67-68.
  [3]田生福. 浅谈岩土工程中数值分析的几点思考[J]. 门窗,2013,(02):336+338.

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