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《岩土工程学科的前沿问题》读书报告

岩土工程学科是一门具有悠久历史而又具有新的内涵的边缘学科，它是由岩土力学和岩石力学交叉而成，涉及到国民经济建设的多个领域，是土木工程、交通工程、矿业工程等学科的主要支撑学科，具有迅速而广阔的发展前景。
一、岩土工程问题的特点
1地应力的控制作用
在开挖过程中,单纯地应力作用就可能引起岩体破坏,发生岩爆,这已是众所周知的。在土力学中,又何尝不是如此。开挖边坡中,假定不同的初始侧压力系数,计算得出的位移将有很大差别。由于高侧压力的影响,超固结土边坡可能多次发生滑动。
2体积力构成荷载的主要部分
除了地基问题中体积力相对不重要以外,无论边坡工程、隧道工程还是堤坝工程,体积力都是作用于岩土体结构上的主要荷载甚至唯一荷载。因此,岩土体结构的主要破坏方式是自重作用下的剪切破坏。这时,剪切面的相当一部分位于岩土体的深部,围压的影响很大。因此,把金属力学和结构力学中的研究方法生硬地搬到岩土力学研究中,自然难于符合实际。有的研究论文采用平面应力问题的研究方法,不考虑围压的影响,所得结论只能反映岩土体表层的破坏过程。
3 多相耦合作用
由于孔隙和裂隙的存在,岩土工程问题往往涉及固相、液相和气相的耦合作用,而冻土问题中还要考虑冰相和温度场。因此,与金属和混凝土结构工程相比,岩土工程问题的控制方程要复杂得多,需要研究的领域也要多得多。
4 边界条件和初始条件的不确定性
岩土工程问题边界条件的不确定性包括两个方面,一是边界位置的不确定性,二是边界上的要素值的不确定性。岩土工程修建在地壳上,人们不能把整个地球或地壳作为研究的范围,只能从其中划出一块进行考察,但如何划法带有一定的任意性,这就是边界位置的不确定性。岩土工程暴露在自然环境中,最不确定的倒不是边界荷载,而是耦合分析中降水量、蒸发量等自然要素的变化。初值条件的不确定性除了前面提到的地应力的不确定以外,还有孔隙中的初始吸力的分布和节理裂隙分布的不确定性等。
二、 现有岩土力学理论的不足
1难于测定天然岩土材料的计算参数
土体由于取样扰动,岩体由于体积太大,导致原状岩土材料的力学参数无法测定。例如,一段时期,广东在良好的残积土上修建多层建筑也普遍采用桩基,就是因为取样扰动造成测定的压缩系数偏高,在此背景下导致设计中的不恰当决策。
2未考虑逐渐破坏过程
现有的边坡稳定分析和土压力计算等方法均基于极限分析理论,未考虑逐渐破坏过程。造成的后果必然是采用峰值强度计算太冒进,而采用残余强度计算又太保守。
3未考虑地应力的影响
在地下洞室开挖中,地应力的影响已得到普遍的重视。但是在其它岩土工程问题中往往不考虑这一影响。例如边坡稳定分析中,无论是条分法或有限元强度折减法均是如此。而超固结土坡中由于水平应力很大导致滑坡的易发性,这早已是众所周知的事实。
4 对多节理裂隙岩体还缺乏有效分析手段
对于含少量节理的岩体,已经发展了一批计算方法,如节理元、接触力元、刚体弹簧元。但对大量裂隙的岩体,只有走等效连续介质的途径。从断裂力学观点出发或是从损伤力学观点出发建立等效介质的本构关系,均是可以考虑的方案。但是未能考虑围压的影响,是目前研究中普遍存在的不足之处。岩土破损力学可以在一定程度上克服这一缺点。
三、岩土力学发展前景展望
1发展原位测试技术,停止原状土取土技术的研究
土样从土层取出后地应力就被卸除,即使再精细的取土技术也不能保证室内测定的参数与原位一致。节理岩体更无法取样试验。因此,发展原位测试技术,是获得可靠计算参数的唯一途径。
2 加强破坏和变形的细观机制研究,减少凑合表观现象的假设性研究。
“大胆假设,小心求证”仍是科学研究的一种手段,但是,如果只求表观现象上的吻合,不深究真实的机理,只求知其然,不求知其所以然,这一态度不符合真正的科学精神。当前岩土力学中大行其道的屈服面的研究,在某种意义上正是这一种研究思路的反映。从等向硬化到运动硬化,从单屈服面到多屈服面,再到边界面和次加荷屈服面及超加荷屈服面,越来越复杂的屈服面假设无非为了凑合试验结果。但如要凑出主应力轴旋转也能产生体积收缩的实验现象,恐怕还要增加屈服面的复杂性。回顾一下科学史上托勒密的地心说,不难发现两者在一定程度上有相似之处。
3建立渐进破坏理论
岩土力学能否自立,关键在于渐进破坏理论能否建立起来。到目前为止,有关岩土材料的渐进破坏和剪切带形成过程的研究对象仍限于室内二轴或三轴压缩试样,远未涉及实际工程问题,而且许多学者纯粹把这一过程当作数学问题进行研究。笔者认为,解决这一问题的关键在于建立能合理反映岩土材料结构破损过程的本构模型,并且研究的重点应当是针对边坡和洞室开挖等围压降低过程中的结构体破损现象。
4开展风化过程的数值模拟研究
如果说前面提到的渐进破坏是指修建工程引起的话,风化引起的岩土材料弱化破坏则是自然过程。如果这一过程发生在工程影响的范围内,则就不仅仅是地质学家研究的事。当然,研究这一问题的难度很大,因为除了力学因素外,还涉及温度循环和湿度循环等物理因素及雨水淋溶和地下水侵蚀等化学因素。
如果以上几方面有所突破,并且在其它方面继续取得进展,就可以认为岩土力学已经达到成熟的阶段。