岩土工程-科学方法论.ppt

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1、专题讲座,岩土工程科学方法论,岩土工程的特点,岩土是一种地质材料，它经受长期的地质构造作用，在一定的地质环境中形成一定的结构，显现出宽广和多变的材料响应范围。与一般工程材料相比，表现出：（1）结构上的不连续性、不均匀性和各向异性（2）物理力学性质上的非线性（3）随机性、模糊性和不确定性。（4）地质条件和工程条件的复杂性（5）整个岩土工程系统的非线性。,传统研究方法的特点,鉴于岩土工程以上这些特点，用传统科学研究方法是将其进行适度的均一化或作增量处理，进而采用的连续介质力学分析方法去分析和评价岩土工程性质及其对工程建筑的适应性。事实上，用这种方法分析评价的结果，往往与实际需求有较大的偏差，有时甚

2、至会给工程建设造成一些麻烦和损失。这种岩土力学方法在七十、八十年代也有较大发展，考虑了材料性质的非线性和节理对工程稳定性的影响，继承了结构力学、工程地质、流变、断裂力学、损伤力学等的基本理论和方法，吸收了结构面的研究内容。但仍然没有揭示岩土体的内在实质，甚至有学者认为真正的岩土力学理论还没有诞生。,解决方法,在工程建设进入大规模、高层次发展的今天，传统的岩土力学理论和方法已不适应时代的要求，亟待取得突破性进展。利用科学技术方法论，寻求解决现代岩土工程问题的新的科学技术方法是我们的主要任务。,第一类方法：不连续性和非线性研究方法,不连续性是指岩土体在结构上的不连续性，在性质上的不均匀性和各向异性

3、。岩土体中存在有若干层面、节理面、断裂带等弱面，不同地点、不同方向上岩土体的物理力学特性不一样。物理力学性质上的非线性则指岩土体本构关系的非线性和边界条件的非线性。由科学的认识论方法，结合其它的力学方法，可以得到以下的研究方法。,损伤力学和断裂力学研究方法,在各种加载条件下，工程材料内的粘聚力呈渐进地简弱，进而导致其体积元的恶化和破坏，这种现象称为材料的损伤。对中小规模呈断续裂隙分布的节理岩体而言，它既不能简化为块体，又不能视为完全散粒体，这在宏观上仍可归属于一种非均质、各向异性的连续介质体，这就有可能在更大的尺度范围内来考察其各种力学量的统计平均性质。而损伤力学的理论和方法，为这类岩体的研究

4、提供了新的思想和手段。其优越性表现在：（1）可以给出岩体各向异性的力学关系；（2）可以建立岩体结构面的几何特性间的关系；（3）由岩体损伤可以预测岩体的后期强度，而在岩体力学参数取值的研究中采用损伤力学方法就克服了尺寸效应的困难。,断裂力学则研究在各种荷载和环境因素作用下，材料内在的裂纹或孔隙所引起的裂纹呈非线性扩展的规律及其破坏的全过程。这种方法正好反映了岩体破坏的实质，将成为岩石力学中的重要研究方向。现在的观点认为，在节理岩体破坏的全过程中，往往都同时伴随着损伤的积累和宏观裂纹的扩展两方面。所以，有必要把岩体断裂力学和损伤力学结合起来，研究节理岩体结构的整个破坏全过程。,块体力学研究方法,块

5、体理论是七十年代由石根华为代表提出的，它设定岩体结构面是贯通的这对节理裂隙发育的浅部天然岩体大体上是合适的，并且这些结构面的强度很低或不具有强度；而相对地认为完整的岩块则是刚性的。即认为岩体是各种大小不同的刚性岩块组合体。然后，利用“块体的有界性定理”和“有界块体的可移动性定理”来识别块体的几何可动性和不可动性，求找出开挖临空面上所有可动块体中的关键块体。关键块体是几何学上、力学上均为可动而又能导致产生多米诺骨牌式连锁失稳的块体，如果不及时加以锚固，将产生一连串的塌滑。块体理论的破坏准则取用其关键块体的稳定性为最小，这与工程地质中的突破观点是一致的，可以归结为极限平衡分析法的范畴。,离散单元法

6、研究方法,离散单元法也认为岩体是各种大小不同的岩块组合体，但其考虑了块体相互之间接触的影响。认为块体在相邻块体的作用下的运动过程中，块体和相邻块体可以接触，也可以分开。块体之间的相互作用力由接触面的本构方程确定，而块体的运动则完全根据该块体所受到的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。这种方法可以描述块体运动的全过程。,第二类方法：不确定性研究方法,在岩土工程分析和数值计算中，存在着若干的客观和主观的不确定性因素（即随机性和模糊性）。众所周知，在建筑结构方面，国内外已广泛应用随机分析方法，按概率设计进行可靠度评价。毫无疑问，由于岩土介质和工程条件的复杂性，在水工和岩土工程结构领域，也必

7、将向不确定性分析方法的设计计算过渡。在岩土工程中，大量固有的不确定性因子主要来源于荷载环境（初始应力场值）、介质地质环境（岩土性质参数）和施工环境与结构材料等多方面内外部条件的不利组合而造成的，因而采用不确定性分析方法来研究岩土工程问题是合理的。,概率论与数理统计分析方法,该方法着重对实验和现场实测数据进行统计学分析，给出测试各值的“均值”和“方差”，并将其应用于岩土工程的可靠性分析，得出其失效概率或安全概率。,随机过程方法,它是将岩土体的状态变量（如位移、应力等）和材料特性参数（如E，c等）看作在不同时刻服从不同概率分布的一种随机变量；而对于某一时刻的分析则与一般的概率论和统计学方法相同。这

8、里，在岩土体性态预报中，时间序列分析和随机预报已呈现可喜的前景。时间序列分析是将量测的位移值视为一时间序列，利用随机过程作时间序列分析，建立纯数学上的理论模型，其特色是并不涉及岩土介质材料力学性态的物理关系，认为它们都已间接地综合反映进量测得的位移值中去了。模型中的系数各值可通过已有时刻前的量测值进行模型参数估计。这样，就可以利用所建立的模型进行同类岩土体的位移预报。随机预报方法则是将岩土体的变形位移视为一时间和空间上连续（或不连续）的随机过程，利用随机方法建立岩土体变形位移的概率随时间、空间而变化的方程，然后求解。其变形位移的预报值是以概率形式给出的。,模糊数学方法,由于岩土工程中的大多数问

9、题都是利用模糊语言描述的，如洞室围岩“基本”稳定、土体中裂纹“较多”，等等。对于“基本”、“较多”等含糊不清的术语，用经典的数学手段是无法进行描述的，更不可能据此作复杂的运算。在模糊数学里提出了“隶属度”的概念，它用从01来描述由“否定”到“肯定”的过渡，这样，任何一个不是完全“肯定”但也不是完全“否定”的量都可以用隶属度来度量，使这些“模糊语言的量”能够上升到用“数字语言”来定量地表达，从而也得以进行数学运算。目前，此方法在岩土工程，应用上已有初步成果的是模糊综合评判和智能模糊推理，还有模糊概率或模糊可靠度等等，例如，应用到围岩分类、岩土工程质量评判、岩土工程模糊设计和专家思维过程的模糊模拟

10、等各个方面。,第三类方法：系统分析方法,岩土工程的勘测、设计和施工是相互依赖的系统，过去各自为政的进行研究，尽管可能在某一方面取得较高水平的成果，但在整个系统上不可能达到技术上的先进和经济上的合理。人们试图发展岩土工程系统分析方法，以便综合解决岩土工程问题。根据系统论原理，岩土体是开放的动态系统，其内部因素（结构以及地应力、地下水和地温等状态参量）和环境因素（工程作用以及地震、降雨和气温等自然环境因素）是众多而复杂的，且其中很多因素是未知或不确定的。即岩土体是一类“灰箱”系统。通过对该系统的正、反分析，使勘测试验、计算预测、施工监控和实践检证四者做到彼此协调、互相配合才是最优的施工设计。,建议

11、结合工程具体实际，采用系统工程的思想方法，开展跨学科的正、反分析研究。目前已发展起来的“施工监测设计施工”反分析方法，特别强调系统的反馈机制，通过反馈实现对系统的最优控制，这是非常重要的一种方法论和思维方式。事实上，任何一个完整的任识和实践过程都包含着反馈机制，因此反馈思维揭示了人们的认识和行为的本质。,灰色系统方法,对岩土工程而言，许多问题实际上也可归属于一个灰色系统问题。该系统是指其内部特性及有关参数属部分为已知（白箱）而部分则为未知（黑箱），所以，从整体上说这个系统是一个不白不黑的灰箱。岩体工程中使用较多的是灰色预测和灰色聚类分析。灰色预测是通过对不同时刻的量测位移值进行累加处理，使得原

12、来量测的信息值随信息量的增大而呈随机性减弱。根据信息量很大的累加值建立其动态变化方程，而方程中的系数值则可通过最小二乘法由量测数据的累加值求得。这样，可以得到累加位移值随时间变化的方程；再进行累减还原，即可得到真实量测值及未来期望值之间随时间变化的规律。,系统识别,岩土体的真实模型是及其复杂的，了解其内部特性并建立计算模型似乎也是不可能的。为此，将岩土体视为一个变换器，把初始地应力和现场开挖及受各种扰动产生开挖释放力的情况都视为此变换器的已知输入值，而把岩土体的可观测到的收敛位移量视为也是变换器已知的输出值，这样，按照系统识别理论，该岩土体的等价物理模型和等价岩土体力学参数就可以通过输入和输出

13、值进行识别。如设岩土体的物理模型为弹性力学模型、塑性力学模型，粘弹、弹粘塑或弹塑性力学模型与随机介质模型等等，通过这种模型识别，证明某一已知模型在精度上能较为符合工程要求，可以把它看作是对真实岩体系统的反映，称之为等价模型。模型识别的过程，是“实测模型分析实测值比较”的反分析过程。,系统工程,如果将岩土体视为一个系统，系统论认为岩土体的基本特征则是它的各个组成部分；对各部分和各过程分门别类研究的传统方法不能完整地描述岩土体活动的现象，重要的是各部分和各过程间的协调关系，而应着重强调的则是其整体性和相互性。系统工程在岩土力学和工程中的应用，具体体现在工程设计和施工的程序设计方面，它以岩土介质体为

14、对象，把需要组织、管理和安排的内容经过分析、推理和判断，综合建成某种系统模型，进而以最优化的方法求得系统最佳化的结果，即要求技术上先进、经济上合理而时间则最省，能以协调运转的最佳效果。在岩土工程的实施过程中组织和参加实施的各方面还应注意建立其内在的相互联系，而不只限于一般工作上的衔接，否则，认为会造成宏观上认识和处理岩土工程问题的很大差距。,信息论,信息论是美国学者创始的，它为系统论的进一步发展作出了巨大贡献。信息论是从统计学的观点来研究信息系统，它完全抽调了系统具体的工质和具体的运动形态，而把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程；认为，系统正是由于信息的获取、传递、加工和处理等一系列的变换

15、，才实现其有目的的运动。这样，通过揭示信息联系来认识系统运动的规律。信息论最重要的一点就是给出了事件的欣喜量的度量值，而且信息量具有可加性。这样，在岩土工程的分析中先将要岩土体视为一信息系统，分析事件因素的构成，求取每个事件的信息量，利用可加性则可得整体事件的信息量。在工程应用方面，已有将信息论的“信息可加原理”应用于岩土体逆分析。对岩土体系统，未知状态的认识（即后验信息）认为由观测信息、先验信息和理论信息的综合，可以得信息量很充分的状态认识。,控制论,控制论涉及到诸如系统、控制、信息、反馈、输入和输出及其状态等基本概念，其分支有工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。所谓控制论是“施

16、控者”选择适当的手段作用于“受控者”，以其引起受控者行为发生预期变化的一种策略性的主动行为。控制论强调系统与环境有明确的界限，又强调系统与环境之间的联系和作用，环境对系统的作用称为系统输入，系统产生的效果称为输出。应用控制论的方法于岩土工程已初见成效，如反分析技术和施工反馈技术。在岩土工程施工上，根据上一步由控制系统而产生的输出（即变形），作为决定对施工对象下一步如何控制（即开挖方式、支护决策等）的依据，这种策略称为反馈技术。,第四类方法：非线性系统理论分析方法,自然界里，大部分系统不是有序的、稳定的、平衡的和确定的，而是处于无序的、不稳定的、非平衡的和随机的状态之中，它存在着无数的非线性过程

17、。在非线性世界里，随机性和复杂性是其主要特征，但同时，在这些极为复杂的现象背后，存在着某种规律性。近十几年来，出现了混沌、分形、协同学、突变论等非线性科学，揭示了混乱和规律、局部和整体、平衡和非平衡之间的本质联系。对于一些复杂的岩土工程问题，大多数也属于非线性系统，只有用非线性科学才能有效的解决这些问题。,突变理论,突变理论是由法国数学家R.Thom 于1972年创立，是为了描述形态发生问题中的突变现象提出的数学框架。所谓突变是指自然事物的变化是不连续的、突发的和非光滑的。诸如岩爆、煤矿井下瓦斯（或水）突发、采空区顶板塌落、山体边坡滑落、地震、火山爆发等都是突变事件。突变理论要求从量的角度来研

18、究各种突变事件的不连续变化，并用统一的数学模型来描述，对各种不同的突变情况而言，描述结果只取决于控制变量的数目。哲学认为，事物的变化总是由量变到质变的变化过程，有时量变的过程可能是很长的，而发生质变则是一瞬间的。突变理论正是反映了质变过程。在岩土工程中，突变理论已用于模拟岩石破裂过程、矿山岩爆、地震等方面。,协同学理论,协同学是1974年由德国物理学家H.Haken 创立的。它既立足宏观又深入到微观层次，以宏观微观联系机制为中心研究由大量子系统构成的系统的有序形成的条件和原因。协同学的主要核心是在于它的伺服系统，由于协同学研究巨系统，系统里含有大量子系统，协同学通过研究大量子系统的动力学方程的

19、稳定性，找出支配系统的参量，区分出快变量和慢变量，快变量受慢变量伺服，从而找到在系统演化过程中起主导作用的变量，即慢变量。然后，仅研究慢变量方程，考虑在随机作用下方程的演变和发展，从而对系统发展规律以预报。,混沌理论,混沌是由系统内的非线性动力学过程产生的非周期宏观时空行为，是一种无周期的有序。它把表现的无序性与内在的规律性巧妙地融为一体。其主要特征为：（1）内随机性。体系处于混沌状态是由体系内部动力学随机产生的不规则行为。这里强调混沌现象形成的根源在体系的内部，而不在体系的外部。产生混沌的体系，一般具有整体稳定性，而局部是非稳定的。体系内的局部不稳定性正是内随机性的特点。也是对初值敏感性的原

20、因所在。即动力系统中，初值的微小变化，引起迭代结果的显著改变。也就是洛伦兹提出的“蝴蝶效应”现象。,（2）分形性。混沌具有分形性质，是指系统运动轨迹在相空间的几何形态可以用分形来描述。系统的混沌运动在相空间无穷缠绕、折迭和扭曲，构成具有无穷层次的自相似结构，即分形结构。（3）普适性。当系统趋于混沌时，其特征不因具体系统的不同和系统运动方程的差异而变化，都与“费根鲍姆常数”（=4.669201609109)相联系。（4）标度律。混沌现象是一种无周期性的有序态，具有无限层次的自相似性结构，存在无标度区域。只要数值计算的精度或实验的分辨率足够高，则可以从中发现小尺度混沌的有序运动花样，所以具有标度律

21、性质。,混沌现象正说明了无序中有序的哲学命题。岩土力学的许多方面反映出混沌现象，如岩土体的地质结构、地下水的流动、爆破裂纹等。因此，在岩土工程中，我们不能忽视微小的细节，因为，初值的敏感性，对系统运动的结果具有显著的影响。在现实生活中，因地基不实导致建筑物损坏；因坝基长年失修，导致遇洪垮塌，这些都是由于因小失大的缘故。,分形岩土力学,组成部分以某种方式与整体相似的形体叫分形。这里的“某种方式”是指“自相似”。这个定义很通俗、直观，很受工程技术人员、实验科学家的欢迎。在岩土力学中，对具有分形边界、分形区域、统计自相似分形的各种力学问题的求解是分形岩土力学的主要研究范畴。这是一门交叉学科，其学科内容和学科体系还没有完全定型，可以说还处在学科形成的初期。然而，在一些领域已取得可喜的开端。如，分形损伤力学、分形断裂、分形孔隙和分形颗粒、节理表面分形、爆破块度分形等方面进展较快。,神经网络法,神经网络是一个由若干叫做神经元的节点组成的、且节点之间相互连接的计算系统。在对网络用足够多的训练样本（就是岩石试件）培训之后，该神经网络就能识别所给定问题的存在的不同关系。岩土工程中，可以用该系统预测岩土参数、位移等。,谢谢您！,