1、数学力学在岩土工程中 应 用,煤炭科学研究总院西安研究院 工程地质研究所 徐拴海 所长 研究员,提 纲,一、岩土工程的概念和范畴 二、数学力学在岩土工程的应用 三、岩土工程面临的对象和问题 四、岩土工程对数学力学的需求 五、数学力学工作者的机遇,岩土工程概念和范畴,岩土工程的学科定位,岩土工程土木工程的分支学科，解决土木工程地面以下的问题。地质学科的延伸和应用，以地质及相关学科为基础。,岩土工程的学科定位,什么是土木工程,土木工程的定义土木工程是指运用数学、物理、化学等基础学科知识，力学、材料等技术科学知识以及工程技术来规划、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。 土木工程的范围土木工程的范
2、围非常广泛，它包括建筑工程、桥梁工程、公路与城市道路工程、市政管道工程、铁路工程、水利工程、矿业工程、港口工程、海洋工程等。具体的形式有：房屋、桥梁、隧道、水坝、运河，卫生系统、运输系统、矿业系统、能源系统、电力系统、通信系统的各种固定部分公路、铁路、机场、矿井、油井以及港口设施、电力设施、通信设施。,土木工程的应用,建筑工程中的应用,土木工程的应用,公路工程中的应用,土木工程的应用,铁路工程中的应用,贵昆铁路线,新干线铁路,土木工程的应用,桥梁工程中的应用,润杨长江 公路大桥,土木工程的应用,桥梁工程中的应用,润杨长江公路大桥 锚碇基础开挖,土木工程的应用,隧道工程中的应用,土木工程的应用,
3、机场工程中的应用,土木工程的应用,市政管道工程中的应用,土木工程的应用,电力工程中的应用,土木工程的应用,电力工程中的应用,土木工程的应用,通信工程中的应用,土木工程的应用,矿业工程中的应用,土木工程的应用,石油天然气工程中的应用,土木工程的应用,水利水电工程中的应用,THREE GORGES PROJECT（中国三峡水利水电项目）,土木工程的应用,港口码头工程中的应用,土木工程的应用,海洋工程中的应用,什么是岩土工程,岩土工程的定义岩土工程是土木工程领域专门研究关于土体和岩体的工程性质及其应用的一个学科分支。它的研究对象是岩土体，它的研究内容是对岩土体的整治、改造和利用问题。岩土工程的范围土
4、木工程中所有涉及土体和岩体的部分都包括在岩土工程的范围之内。,岩土工程范围,岩土工程历史,岩土工程的发展历史 第一历史发展时期18世纪工业革命以前，岩土技术仅是积累的零星的工程经验。 第二历史发展时期18世纪60年代工业革命期后建立一系列经典的土力学理论。如1776年库仑发表了建立在滑动土楔平衡条件分析基础上的土压力理论；MohrCoulomb强度理论，为土压力、地基承载力和土坡稳定分析奠定基础。1856年达西建立了有孔介质中水的渗透理论，即著名的达西定律；1857年 朗肯提出了建立在土体的极限平衡条件分析基础上的土压力理论，它与库伦理论被后人并称为古典土压力理论。,岩土工程历史,岩土工程的发
5、展历史1885年包辛内斯克和1892年弗拉曼分别提出均匀的、各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线荷载作用下位移和应力分布理论。1920年普朗德尔根据塑性平衡的原理，导出了著名的极限承载力公式。 第三历史发展时期20世纪初，铁路、大坝和高层建筑的兴建为岩土工程的发展提供了客观条件；太沙基提出的有效应力原理为代表，在试验技术和计算方法方面形成了完整的土力学体系。 第四历史发展时期人们对于岩土特性的认识还远不能满足工程实践的要求，岩土工程设计仍然是在很大的不确定性条件下进行的，随着工程规模和难度的增大，岩土工程中新的技术问题不断出现，工程事故仍时有发生。在21世纪社会、经济和科学技术的飞跃发展，岩
6、土工程将在充满矛盾和挑战中进入新的发展历史时期。,岩土工程内容,工程勘察,岩土工程内容,地基处理,高真空击密法,岩土工程内容,基础工程,岩土工程内容,基坑开挖,岩土工程内容,隧洞开挖,岩土工程内容,基坑支护,南平武夷花园,岩土工程内容,边坡支护,锚索 框架,岩土工程内容,泥石流防治,北峰泥石流灾后现场,数学力学在岩土工程中应用,三、岩土工程与数学力学关系,数学是岩土工程的工具,岩土工程与数学力学关系,力学是岩土工程量化的基础,岩土工程与数学力学关系,力学是岩土工程量化的基础,数学力学在岩土工程中应用,数学工具引入岩土工程形成土工数值分析与计算,数学力学在岩土工程中应用,力学工具引入岩土工程形成
7、岩土力学,数学力学在岩土工程中应用,经典岩土力学到高等岩土力学经典的土力学理论解决了满足工程精度的近似解；对于无法求得解析解的问题引进了有限元等数值分析方法求取数值解，形成了计算岩土力学。高等岩土力学囊括了设计更为完善的土工实验，在解决岩土的本构模型上引入了弹塑性力学，形成了岩土弹塑性力学，对岩土体的模拟更接近真实；高等岩土力学手段更为丰富，可以解决传统岩土力学所解决不了的更加广泛的问题。,岩土工程面临对象和问题,岩土工程的经典问题,许多建筑物如房屋、堤坝、公铁路、桥梁、矿山等工程在选址、建设过程中好都会遇到边坡稳定问题。,对边坡应预先进行评价和处理。,岩土工程的经典问题,在天然岩土层中修建隧
8、洞、渠道时，岩土又是建筑物周围的介质，土压力处处存在，下图为隧洞和渠道示意图。,为了保证建筑物施工期的安全、竣工后的安全和正常使用，土力学学科需要解决工程周围的土压力问题。,岩土工程的经典问题,建筑物都是建造在岩土层之上，土支承着其全部荷载，在土层内一定范围的应力将发生变化，应力状态变化的这部分土体称为建筑物的地基。而建筑物的地下承重结构称为基础,基础埋置在岩土层上将建筑物荷载传播到地基中去，地基稳定问题无处不在,岩土工程的经典问题,岩土作为支承体、荷载和自承体：建筑物地基、基坑、边坡、隧道等的强度与变形。岩土作为材料：堤坝等变形及渗透问题。岩土加固和改良：对地基、软土问题，特殊土（包括冻土、
9、湿陷性黄土、膨胀土）处理等。自然或人工岩土地质灾害：地震、火山、滑坡、泥石流、地面塌陷（地裂缝）等。,岩土工程面临对象,建 筑 物 地 基,岩土工程面临对象,基 坑,岩土工程面临对象,边 坡,岩土工程面临对象,隧 道,岩土工程面临对象,堤 坝,岩土工程面临对象,冻 土,岩土工程面临对象,地 震,岩土工程面临对象,火 山,岩土工程面临对象,滑 坡,岩土工程面临对象,泥 石 流,岩土工程面临对象,地面塌陷,岩土工程面临对象,地裂缝,岩土工程面临对象,人类活动与地质环境关系人类工程活动天天在地质环境中进行，二者之间相互制约，始终是客观存在的。 地质环境对人类工程活动的制约地质环境对人类工程活动的安全
10、、建筑物的稳定和正常使用都起到制约作用，如提高工程造价。 人类工程活动对地质环境影响人类工程活动对地表的改造不可忽视的，目前为人类活动已涉及到地球表面80的地区，这些导致了地质环境的破坏。,岩土工程存在问题,岩土工程研究对象对工程活动的地质环境或称岩土工程地质条件，进行深入研究（包括地层岩性、地质构造、地貌、水文地质条件、岩土体的工程性质、物理地质现象等方面）。研究岩土体的工程性质及其在自然或人类活动影响下的变化是岩土工程的基本任务研究工程活动与地质环境相互制约的主要形式，分析这些问题产生的地质条件、力学机制及其发展演化规律，正确评价和有效防治其不良影响是其根本。,岩土工程研究对象,岩土工程的
11、母体是复杂的,岩土工程研究难点,构 造,褶 皱,岩土工程的母体是复杂的,岩土工程研究难点,断层、陷落柱,岩土工程的母体是复杂的,岩土工程研究难点,地 貌,结构的不确定性,岩土工程不确定性,岩土结构 地质结构和岩土材料自然形成，勘察查明 不能选定和控制体系和构件不明确，计算条件不明确，计算不可信没有截面计算，分不清截面可靠度和系统可靠度,建筑结构 结构体系和构件尺寸工程师设计 材料 工程师选定 均可控体系和构件明确，计算条件明确，计算可信 截面计算为主， 做截面可靠度分析,材料的不确定性,岩土工程不确定性,岩土材料 变异性大, 与位置有关，相关距离 水平相变和竖向相变试验尺寸与计算尺寸差别大，试
12、验方法多 计算参数取综合水平,结构材料 相对均匀 与位置无关试验尺寸与计算尺寸差别相对小 按一般材料统计参数代表值,水压力的不确定性,岩土工程不确定性,裂隙水和孔隙水压力是多变的 裂隙水：脉状、网状、层状、岩溶水。富水性、透水性和水压力差别非常大。查清有时非常困难。 水位、水头变化：季节、多年、人为 静水压力、超静水压力、渗透力。 孔隙水压力的增长消散：液化、挤土效应。 非饱和土基质吸力。,地质作用和地质演化的不确定性,岩土工程不确定性,地质作用和地质演化是复杂的 地震：液化、震陷、塌陷、边坡失稳、永久性地面变形和诱发地质灾害； 河、湖、海：冲刷、侵蚀、搬运和淤积，对水利工程和航道工程的影响；
13、 地下水：岩溶，土洞，塌陷； 风化作用； 滑坡、泥石流等：发生、发展、消亡、复活等地质演化过程。,本构模型和计算模式的不确定性,岩土工程不确定性,本构模型和计算模式是多样的 本构模型：岩、土、各种模式。 地基承载力计算：Ressiner、Terzaghi、Meyerhoff、Hansen、Vesic、P1/4，等。 变形计算：一维沉降计算。 边坡稳定计算：破裂面形状及位置等。,岩土工程 对数学力学的需求,岩土工程研究的任务,岩土工程研究,基本任务查明工程地质条件； 中心任务对工程地质条件和工程地质问题的定性和定量分析、评价。,岩土工程研究的方法,岩土工程研究,自然历史分析法 工程地质勘察和测试
14、法 数学力学分析法 模型模拟试验法 工程地质类比法,自然历史分析法 地质学分析,岩土工程研究方法,定性研究研究地质体、地质现象、自然地质历史形成演化。是地质基础性工作和基本的研究方法。例如：地质演化历史、岩土沉积序次与演化、构造变形破坏等研究。,工程地质勘察和测试法 定量分析并提取参数,岩土工程研究方法,现场勘探 坑探，直观观察和取原状土样。钻探，提取岩芯和土样。地球物理勘探，兼有勘探和测试双重功能，利用地球物理方法探测地层岩性、地质构造等。直接地判断岩土层及其性质的勘探方法,工程地质勘察和测试法 定量分析并提取参数,岩土工程研究方法,室内和现场岩土测试 室内土工试验：岩土的物理性质试验、力学
15、性质试验、水和土的腐蚀性试验 原位测试：触探、静荷载试验、十字板剪切试验、旁压试验、现场剪切试验等 间接地判断岩土层及其性质的勘探方法。,数学力学分析法 定量分析计算、评价,岩土工程研究方法,针对某一具体问题。地质分析为基础 地质模型 数学模型（理论经验公式等） 代入有关参数进行计算。例如：刚体极限平衡法、弹塑性理论方法、数论统计方法、数值分析方法。还比如，灰色理论、逻辑信息、摸糊数学、分形、神经网络等。,模型与模拟实验法 仿实体演绎,岩土工程研究方法,相似材料的模型实验：如渗流、斜坡、地基渗透变形、洞室稳定等。模拟实验：如光弹实验、电网络模拟（欧姆定律渗流达西定律）、结构的网络模拟试验等。,
16、工程地质类比法 经验借鉴、对比,岩土工程研究方法,同类和相似工程类比基础是相似性（地质条件与建筑工作方法等）；如：专家判断、经验参数使用等。,岩土工程中数学力学研究内容,岩土工程中数学力学,查明岩土体数学力学特征建立数学力学模型。研究岩土作用中的各种因素及其相互关系，建立地质过程的数学力学模型。研究适合岩土体任务和数据特点的数学力学分析方法，建立数学力学模型。,岩土工程对数学力学需求,岩土工程中数学力学,基础数学力学理论、方法突破。解决三维空间各向异性问题的数学力学方法。处理构造、断层、陷落柱、软弱面等奇异点的数学力学方法。新的岩土本构模型的建立和数学力学解法。已应用的其他数学力学理论和方法在
17、岩土工程中应用。,数学力学工作者 的机遇与挑战,工程建设领域宽广,数学力学工作者的机遇,城镇各类基础工程建设。公路、铁路、港口、机场等基础工程建设。大都市地下铁道建设。青藏铁路、西气东输、西电东送、南水北调、水电、核电等跨世纪工程。自然和人工引发的地质灾害防治工程。,工程建设技术难题多,数学力学工作者的挑战,复杂岩土工程条件。城市地下工程。环境岩土工程。西部特殊条件岩土工程。岩土工程安全度。,敬请批评指正,谢 谢,学习动物精神,11、机智应变的猴子：工作的流程有时往往是一成不变的，新人的优势在于不了解既有的做法，而能创造出新的创意与点子。一味地接受工作的交付，只能学到工作方法的皮毛，能思考应变的人，才会学到方法的精髓。,学习动物精神,12、善解人意的海豚：常常问自己：我是主管该怎么办才能有助于更好的处理事情的方法。在工作上善解人意，会减轻主管、共事者的负担，也让你更具人缘。,谢谢大家！,
