关于我国岩土力学发展现状和动向

关于我国岩土力学发展现状和动向的探讨
摘要：引入岩土力学定义，分别在计算方面和建立模型方面探
讨了我国目前岩土力学的发展状况和提出发展中遇到的问题，通过
举例说明各模型优缺点，并提出有效的解决措施。最后规划了我国
岩土力学的动向发展。
关键词：岩土力学、几何分形、模型、岩土
rock and soil mechanics on our development status and
trends of
qin zongxingli mingchen yan
abstract: the paper introduces the definition of rock and
soil mechanics, respectively in the calculation and model of
the rock and soil mechanics development condition and the
present problems in development, illustrates the advantages
and disadvantages of each model, and put forward effective
measures. the final planned our country rock and soil
mechanics of development.
key words: rock and soil mechanics, geometry model,
fractal, rock and soil
1. 引言
岩土力学课程是土木工程岩土专业的一个分支，它是一门十分
重要的技术基础课。它主要包括学习岩土力学的基本理论，知道岩
土的物理力学性质、强度变形计算、稳定性分析、挡土墙及基坑围
护的设计与计算、地基承载力等岩土力学基本理论与方法。结合有
关交通土建、建筑工程、土木工程的理论和施工知识，分析和解决
岩体工程及地基基础问题。
二、我国岩土力学的发展现状
1、在计算方面
由于岩土材料比较特殊，那么在研究岩土力学方面就会比较复
杂。岩土体本身就是一个复杂的系统，其是多组的和断断续续的。
具有不确定性，不规则性和不明确性。目前，我国的岩土力学工作
者倾向于采用理想数学模型和力学模型建立和描述岩土的各类特
性，结果往往不是很理想，甚至出现很大偏差。那么，为解决这一
现状，为突破创新，新的方法和新的技术是比不可少的。在此，我
国也已找到解决方案了，注入了新的研究岩土力学理论的思想。
分形几何就是研究岩土力学需用的一种新技术，新方法。它的
工作原理是研究一个复杂系统的形态、功能等，紧密联系它们间的
联系，用维数表表现系统的复杂性。系统与维数值成正比例关系，
值越大，系统越复杂。
分形几何在计算岩土力学中的应用主要包括“定量的对岩土材
料结构进行描述，研究调查水如何在岩土中流动，测量岩土材料的
强度和分析岩土力学特征”四方面的内容。分形几何又被概括为两
个方面，分形图形和维数计算。常用的分形模型有koch 曲线，
cantor 集合，sierpinski 地毯和menger 海绵等，如图1-4所示。
它们都属于数学分形，它们之间有一定的相似性。同时，分形维数
分为六种，相似维数，容量维数，信息维数，关联维数，和广义分
形维数。对于不同的分形维数的测量各自有不同的方法，如其中的
关联维数是利用关联函数来取得的。
2、在模型应用方面
从岩土力学的发展史来看，岩土力学的力学模型主要有：弹性
模型（胡克体）、黏弹性模型（麦克斯韦体）、弹塑性模型、内蕴时
间弹塑性模型和损伤模型。其中弹性模型又分为线性弹性和非线性
弹性两方面。由于岩土力学特性是不一样的，根据介质力学理论，
建立的模型应有非线性弹性、弹塑性、粘弹塑性和塑性内时模型等。
当前最常使用的力学模型有两种，非线性弹性模型和南水模型
——南京水利科学院非线性模型。
非线性弹性模型是duncan和chang采用kondner的建议和三轴
压缩试验结果，采用变切线弹性模量和变切线体积模量对粘土和砂
土进行了模拟，建立了 duancan-chang模型，其预测结果温和于试
验结果。而南水模型将domaschuk模型加以推广，把剪切曲线变成
推广曲线，不仅适用于硬化的岩土，还可以适用于超固结土和岩石
等软化岩土。它不但考虑了软硬方面还考虑了膨胀与压缩方面，适
用范围非常广泛。
三、目前岩土力学发展存在的问题和解决措施
1、在计算方面存在的不足和解决措施
我国岩土力学水平，还不能够达成使计算误差小于10%的愿望，
这还有待努力，但我国正在努力向这个目标靠近。在排除施工因素
后，误差控制在50%以内是完全有可能的。计算岩土力学工程还不
完善，因为当前的研究只是刚开始，只涉及到很小的一部分，只取
得很小的研究成果，我们还当深入到岩土力学的各个领域里。我们
要将分形几何理论完全引入岩土力学宏图里，还要加大分维数的探
讨和研究，理解岩土力学系统的基本原理和分清明了各空间关系。
只有对岩土材料有深入认识和了解，我们才能选取合适的计算
方法和计算模型，减少计算误差，避免错误发生，并能促进岩土工
程各方面力学的综合发展。
2、在模型应用方面的不足和解决方案
线弹性模型不能考虑剪胀变形，它只考虑受荷载作用的变形状
况，忽略了不能恢复的塑性变形。塑性变形往往是在荷载作用下，
荷载不断变化中产生的，通常容易被忽略。它不适用于应力路径复
杂时，会受弹性恢复的影响，产生误差。duncan-chang模型就没考
虑到这方面内容，它只适用于粘性土、砂土，其他土就不会产生作
用，它不能考虑岩土的性质和特征。我们可以只在分析岩土稳定性
时使用它。
南水模型建立在domaschuk模型上并推广，考虑了剪切膨胀和
压缩方面，并考虑了应力方面的影响，但是不能考虑静水压作用的
影响。当模型采用非关联流动理论，也不能避免剪切膨胀现象的发
生，对岩土体缩减也考虑不到。所以在建立南水模型时，我们要综
合考虑多方面因素，建立一个完善的模型。
剑桥模型也有一定的缺陷，只建立了3个参数。在构建上没有
充分考虑剪切变形，只利用塑性体积作参量，不考虑应力作用，当
应力产生时，它是不能反应和突出的。
四、我国岩土力学发展动向规划
岩土力学理论和本构模型已经过三十年的发展，但它们还不成
熟，那么今后研究“岩土材料稳定性和变形分析”是我们关注的对
象，可以通过建立神经网络模型，损伤模型和粘弹性模型来研究和
探讨它们。它还是一个比较新的研究课题，在研究过程中，我们要
建立多种模型和充分利用试验数据。着
五、结论
虽然我国在计算岩土力学方面存在些缺陷，但我们正在尽快完
善，以达到控制误差在百分之十以内的目标。岩土力学上在建立本
构模型上，各自材料特点和试验方法采取上，会在构建模型是造成
一定的局限性。那么我们在计算和建立模型时要考虑多方面因素，
不能循规蹈矩，生搬硬套，要突破创新，不受各种现有理论的影响。
那么我们在今后的几十年内，在计算和建立岩土力学模型一定会取
得令人瞩目的发展，并得到广泛认可和应用。
参考文献
1、谢和平. 分形几何及其在岩土力学中的应用[j]. 岩土工程
学报,1992, 14(1): 14-24.
2、孙禹成、李松然. 岩土力学中常用力学模型的适用性分析[j].
内江科技。
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。