———從巖土工程師角的度理解數(shù)值分析方法在巖土工程中應(yīng)用
本文根據(jù)筆者在第七屆工程勘察總工程師論壇上的報(bào)告《巖土工程數(shù)值分析：錦上添花？還是一錘定音？》進(jìn)行的改寫(xiě)，由于篇幅較為冗長(zhǎng)，擬拆分為2~3次交流。文中觀(guān)點(diǎn)僅代表個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如感興趣歡迎發(fā)郵件至yinji@sgidi.com索取PPT。
數(shù)值分析方法用于巖土工程領(lǐng)域估計(jì)超過(guò)四十年了，一直爭(zhēng)議不斷，業(yè)界對(duì)數(shù)值分析的看法大致有兩種觀(guān)點(diǎn)。一種是認(rèn)為“數(shù)值分析”是華而不實(shí)的“花瓶”，
投標(biāo)的時(shí)候充實(shí)一下，評(píng)獎(jiǎng)的時(shí)候美化一下，碰到外行的時(shí)候忽悠一下，碰到同行的時(shí)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(guò)）。另一種觀(guān)點(diǎn)是認(rèn)為“數(shù)值分析”是解決問(wèn)題的“利器”，除了可以量大面廣的常規(guī)問(wèn)題，還可以處理復(fù)雜的、特殊的、缺乏經(jīng)驗(yàn)的、超出規(guī)范的問(wèn)題。爭(zhēng)論歸爭(zhēng)論，但是數(shù)十年來(lái)，大家還是用的不亦樂(lè)乎。
業(yè)界有一種很流行的說(shuō)法，說(shuō)數(shù)值分析是RIRO（rubbish in , rubbish out），這點(diǎn)筆者非常同意。數(shù)值分析不是煉丹爐，弄點(diǎn)硼砂、硫磺什么的就能練出仙丹。如果數(shù)值分析能RIGO（rubbish in，gold out），那還要工程師干什么？這個(gè)顯然不符合客觀(guān)規(guī)律。也有人認(rèn)為數(shù)值分析就是Magic（魔術(shù)），要什么就變什么，這點(diǎn)筆者也不否認(rèn)，因?yàn)楸救嗽?jīng)也是“魔術(shù)師”之一。什么本構(gòu)、什么參數(shù)、什么力學(xué)模型都是浮云，只剩下工程師對(duì)結(jié)果的“預(yù)判”，如果“預(yù)判”成功，就是工程師的勝利；如果“預(yù)判”失敗，就是數(shù)值分析的無(wú)能。
數(shù)值分析被看做是“花瓶”，筆者認(rèn)為要從兩方面來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。一方面，巖土體作為一種天然的材料，其力學(xué)特性是極其復(fù)雜的，難以完全掌握的。雖然可以通過(guò)大量的試驗(yàn)研究和巧妙的數(shù)學(xué)抽象后盡可能完備的描述土體的力學(xué)性狀，但巖土體成分、成因、結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，目前沒(méi)有任何一個(gè)本構(gòu)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(shí)際相去甚遠(yuǎn)。另一方面，工程師應(yīng)對(duì)從模型簡(jiǎn)化、本構(gòu)及參數(shù)選用、分析結(jié)構(gòu)判斷等全過(guò)程負(fù)責(zé)，這實(shí)際上對(duì)使用者的要求是相當(dāng)高的。如果缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)力學(xué)模型判斷失誤，對(duì)計(jì)算結(jié)果毫無(wú)敏感性，甚至變起了魔術(shù)或者輸入了一堆垃圾，那么分析的結(jié)果可想而知。
那為何又有不少的工程師將分析工具當(dāng)做分析、解決問(wèn)題的利器呢？
首先，我覺(jué)得用時(shí)髦點(diǎn)的話(huà)來(lái)說(shuō)，“數(shù)值分析工具代表了先進(jìn)的生產(chǎn)力”。軟、硬件技術(shù)在發(fā)展、本構(gòu)理論在發(fā)展，能夠求解的規(guī)模越來(lái)越大，考慮的邊界條件越來(lái)越多，模擬的力學(xué)性狀越來(lái)越完善，用于校驗(yàn)的案例越來(lái)越多�？傊�，數(shù)值分析這個(gè)工具在與時(shí)俱進(jìn)，并通過(guò)了大量工程實(shí)踐的檢驗(yàn)和修正。當(dāng)然“工欲善其事，必先利其器”，選用合適的數(shù)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(gòu)（HSS（土）、Hoek-Brown（巖））配合穩(wěn)定、可靠、高效的求解器幾乎可以處理巖土工程領(lǐng)域所遇到的所有問(wèn)題�，F(xiàn)在好一點(diǎn)的臺(tái)式機(jī)工作站（例如筆者使用的DELL T7610系列，128G內(nèi)存）處理規(guī)模可以達(dá)到百萬(wàn)單元級(jí)別，而且即便復(fù)雜如HSS模型，也能在一天之內(nèi)出結(jié)果。而這在以前內(nèi)存以K計(jì)的年代是不可想象的。
其次，現(xiàn)在的項(xiàng)目越來(lái)越復(fù)雜、難度越來(lái)越大，必須要有強(qiáng)大的分析工具協(xié)助工程師做判斷。筆者在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中就遇到過(guò)不少?zèng)]有經(jīng)驗(yàn)可參考的項(xiàng)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(guī)范分析的方法分析，有時(shí)候由于規(guī)范的局限性（規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)大多由過(guò)去大量常規(guī)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)而來(lái)，比如說(shuō)超高層的沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，大家可以看下附錄，其統(tǒng)計(jì)值基于的建筑物高度幾乎沒(méi)有超過(guò)300m的），容易顧此失彼，而過(guò)度的簡(jiǎn)化又將導(dǎo)致過(guò)于保守。此時(shí)，采用可靠的數(shù)值分析工具協(xié)助分析和判斷是非常有必要的。特別的，現(xiàn)在很多項(xiàng)目都是變形量或者對(duì)環(huán)境的影響作為設(shè)計(jì)目標(biāo)的，而規(guī)范方法對(duì)于變形的預(yù)測(cè)方面的指導(dǎo)實(shí)在較為稀缺。
下面舉幾個(gè)工程案例，或許能增加點(diǎn)感性認(rèn)識(shí)。
案例一：某土-巖結(jié)合地區(qū)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(jié)合錨桿的方案。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題為：支擋結(jié)構(gòu)-上部結(jié)構(gòu)的相互作用、邊坡穩(wěn)定性、支擋結(jié)構(gòu)的截面和配筋優(yōu)化、支擋結(jié)構(gòu)的變形。如采用基于規(guī)范方法（基坑規(guī)范）的樁錨體系分析，變形非常大，且無(wú)法評(píng)估對(duì)建筑物的影響。故本項(xiàng)目最終完全根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，且獲得了成功。
案例二：某300m+超高層項(xiàng)目，地基為泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r交接區(qū)域，巖溶發(fā)育，擬采用天然地基（局部換填）的方案。需考慮不均勻地基對(duì)建筑物差異沉降的影響，變形控制是主要的設(shè)計(jì)考量。如采用基于規(guī)范方法的彈性地基板理論分析，則無(wú)法分析如此復(fù)雜的地層分布對(duì)地基剛度的影響。因此，基礎(chǔ)沉降采用上部結(jié)構(gòu)-地基-基礎(chǔ)共同作用分析（地層模型、基礎(chǔ)模型、結(jié)構(gòu)模型同時(shí)整合入數(shù)值分析模型），并作為主體結(jié)構(gòu)院設(shè)計(jì)依據(jù)。
案例三：某島嶼上的吹填土（深厚淤泥質(zhì)土）地區(qū)景觀(guān)河道駁岸設(shè)計(jì)，業(yè)主要求駁岸必須直立而且工期越快越好，駁岸后側(cè)堆載最大處80kPa（約5.0m堆土）。根據(jù)工期要求，貌似只能采用預(yù)制結(jié)構(gòu)作為擋土結(jié)構(gòu)。限于單根（排）預(yù)制結(jié)構(gòu)受彎能力的限制，擬采用“多排門(mén)架式”結(jié)構(gòu)。對(duì)于門(mén)架式支擋結(jié)構(gòu)，基坑規(guī)范有針對(duì)雙排樁的分析方法，但本項(xiàng)目采用了3~5排樁，貌似規(guī)范方法也無(wú)能為力。最終本項(xiàng)目?jī)?nèi)力分析、穩(wěn)定性完、預(yù)制結(jié)構(gòu)截面及配筋（承載力）等均按照數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。
