———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告《巖土工程數(shù)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(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)域估計超過四十年了，一直爭議不斷，業(yè)界對數(shù)值分析的看法大致有兩種觀點。一種是認為“數(shù)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(shù)值分析”是解決問題的“利器”，除了可以量大面廣的常規(guī)問題，還可以處理復(fù)雜的、特殊的、缺乏經(jīng)驗的、超出規(guī)范的問題。爭論歸爭論，但是數(shù)十年來，大家還是用的不亦樂乎。
業(yè)界有一種很流行的說法，說數(shù)值分析是RIRO（rubbish in , rubbish out），這點筆者非常同意。數(shù)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(shù)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(guī)律。也有人認為數(shù)值分析就是Magic（魔術(shù)），要什么就變什么，這點筆者也不否認，因為本人曾經(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)值分析的無能。
數(shù)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(xué)特性是極其復(fù)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(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)千差萬別，目前沒有任何一個本構(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，則有可能和工程實際相去甚遠。另一方面，工程師應(yīng)對從模型簡化、本構(gòu)及參數(shù)選用、分析結(jié)構(gòu)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(jīng)驗，對力學(xué)模型判斷失誤，對計算結(jié)果毫無敏感性，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(shù)值分析工具代表了先進的生產(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)模越來越大，考慮的邊界條件越來越多，模擬的力學(xué)性狀越來越完善，用于校驗的案例越來越多�？傊�，數(shù)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(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)域所遇到的所有問題�，F(xiàn)在好一點的臺式機工作站（例如筆者使用的DELL T7610系列，128G內(nèi)存）處理規(guī)�？梢赃_到百萬單元級別，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計的年代是不可想象的。
其次，現(xiàn)在的項目越來越復(fù)雜、難度越來越大，必須要有強大的分析工具協(xié)助工程師做判斷。筆者在生產(chǎn)實踐過程中就遇到過不少沒有經(jīng)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(guī)范分析的方法分析，有時候由于規(guī)范的局限性（規(guī)范的經(jīng)驗大多由過去大量常規(guī)項目的經(jīng)驗而來，比如說超高層的沉降經(jīng)驗修正系數(shù)，大家可以看下附錄，其統(tǒng)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(dǎo)致過于保守。此時，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)在很多項目都是變形量或者對環(huán)境的影響作為設(shè)計目標的，而規(guī)范方法對于變形的預(yù)測方面的指導(dǎo)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(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，本項目應(yīng)關(guān)注的主要問題為：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，且無法評估對建筑物的影響。故本項目最終完全根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果進行設(shè)計，且獲得了成功。
案例二：某300m+超高層項目，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建筑物差異沉降的影響，變形控制是主要的設(shè)計考量。如采用基于規(guī)范方法的彈性地基板理論分析，則無法分析如此復(fù)雜的地層分布對地基剛度的影響。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)模型同時整合入數(shù)值分析模型），并作為主體結(jié)構(gòu)院設(shè)計依據(jù)。
案例三：某島嶼上的吹填土（深厚淤泥質(zhì)土）地區(qū)景觀河道駁岸設(shè)計，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“多排門架式”結(jié)構(gòu)。對于門架式支擋結(jié)構(gòu)，基坑規(guī)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(guī)范方法也無能為力。最終本項目內(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)果進行設(shè)計。
