岩土工程数值分析在工程中应用的一点体会（一）

　　数值分析方法用于岩土工程领域估计超过四十年了，一直争议不断，业界对数值分析的看法大致有两种观点。一种是认为＂数值分析＂是华而不实的＂花瓶＂，
　　投标的时候充实一下，评奖的时候美化一下，碰到外行的时候忽悠一下，碰到同行的时候吓唬一下，一言以蔽之，中看不中用（上述事情笔者均参与过）。另一种观点是认为＂数值分析＂是解决问题的＂利器＂，除了可以量大面广的常规问题，还可以处理复杂的、特殊的、缺乏经验的、超出规范的问题。争论归争论，但是数十年来，大家还是用的不亦乐乎。
　　业界有一种很流行的说法，说数值分析是RIRO（rubbish in , rubbish out），这点笔者非常同意。数值分析不是炼丹炉，弄点硼砂、硫磺什么的就能练出仙丹。如果数值分析能RIGO（rubbish in，gold out），那还要工程师干什么？这个显然不符合客观规律。也有人认为数值分析就是Magic（魔术），要什么就变什么，这点笔者也不否认，因为本人曾经也是＂魔术师＂之一。什么本构、什么参数、什么力学模型都是浮云，只剩下工程师对结果的＂预判＂，如果＂预判＂成功，就是工程师的胜利；如果＂预判＂失败，就是数值分析的无能。
　　数值分析被看做是＂花瓶＂，笔者认为要从两方面来看这个问题。一方面，岩土体作为一种天然的材料，其力学特性是极其复杂的，难以完全掌握的。虽然可以通过大量的试验研究和巧妙的数学抽象后尽可能完备的描述土体的力学性状，但岩土体成分、成因、结构千差万别，目前没有任何一个本构模型可以做到从剪切波速80m/s~800m/s的岩土体＂通吃的＂。如果选用了不合适的模型，则有可能和工程实际相去甚远。另一方面，工程师应对从模型简化、本构及参数选用、分析结构判断等全过程负责，这实际上对使用者的要求是相当高的。如果缺乏工程经验，对力学模型判断失误，对计算结果毫无敏感性，甚至变起了魔术或者输入了一堆垃圾，那么分析的结果可想而知。
　　那为何又有不少的工程师将分析工具当做分析、解决问题的利器呢？
　　首先，我觉得用时髦点的话来说，＂数值分析工具代表了先进的生产力＂。软、硬件技术在发展、本构理论在发展，能够求解的规模越来越大，考虑的边界条件越来越多，模拟的力学性状越来越完善，用于校验的案例越来越多。总之，数值分析这个工具在与时俱进，并通过了大量工程实践的检验和修正。当然＂工欲善其事，必先利其器＂，选用合适的数值分析软件以及高性能的硬件也是必需的。以笔者使用了十多年的ZSOIL.PC软件为例，其丰富的岩土本构（HSS（土）、Hoek-Brown（岩））配合稳定、可靠、高效的求解器几乎可以处理岩土工程领域所遇到的所有问题。现在好一点的台式机工作站（例如笔者使用的DELL T7610系列，128G内存）处理规模可以达到百万单元级别，而且即便复杂如HSS模型，也能在一天之内出结果。而这在以前内存以K计的年代是不可想象的。
　　其次，现在的项目越来越复杂、难度越来越大，必须要有强大的分析工具协助工程师做判断。笔者在生产实践过程中就遇到过不少没有经验可参考的项目，例如720m+超高层、40m+深基坑、降25m+承压水、净距离<2.0m的隧道穿越等等。如果采用基于规范分析的方法分析，有时候由于规范的局限性（规范的经验大多由过去大量常规项目的经验而来，比如说超高层的沉降经验修正系数，大家可以看下附录，其统计值基于的建筑物高度几乎没有超过300m的），容易顾此失彼，而过度的简化又将导致过于保守。此时，采用可靠的数值分析工具协助分析和判断是非常有必要的。特别的，现在很多项目都是变形量或者对环境的影响作为设计目标的，而规范方法对于变形的预测方面的指导实在较为稀缺。
　　下面举几个工程案例，或许能增加点感性认识。
　　案例一：某土-岩结合地区直立边坡高度约30.0m，且坡顶即为采用人工挖孔桩和天然地基的5~18F高层，拟采用大直径抗滑桩结合锚杆的方案。根据工程经验，本项目应关注的主要问题为：支挡结构-上部结构的相互作用、边坡稳定性、支挡结构的截面和配筋优化、支挡结构的变形。如采用基于规范方法（基坑规范）的桩锚体系分析，变形非常大，且无法评估对建筑物的影响。故本项目最终完全根据数值分析结果进行设计，且获得了成功。
　　案例二：某300m+超高层项目，地基为泥质粉砂岩和灰岩交接区域，岩溶发育，拟采用天然地基（局部换填）的方案。需考虑不均匀地基对建筑物差异沉降的影响，变形控制是主要的设计考量。如采用基于规范方法的弹性地基板理论分析，则无法分析如此复杂的地层分布对地基刚度的影响。因此，基础沉降采用上部结构-地基-基础共同作用分析（地层模型、基础模型、结构模型同时整合入数值分析模型），并作为主体结构院设计依据。
　　案例三：某岛屿上的吹填土（深厚淤泥质土）地区景观河道驳岸设计，业主要求驳岸必须直立而且工期越快越好，驳岸后侧堆载最大处80kPa（约5.0m堆土）。根据工期要求，貌似只能采用预制结构作为挡土结构。限于单根（排）预制结构受弯能力的限制，拟采用＂多排门架式＂结构。对于门架式支挡结构，基坑规范有针对双排桩的分析方法，但本项目采用了3~5排桩，貌似规范方法也无能为力。最终本项目内力分析、稳定性完、预制结构截面及配筋（承载力）等均按照数值分析结果进行设计。