岩土体测试理论的发展方向

摘要: 在岩土工程学科的历史上，指出土工试验是人们认识和揭示土的力学性质及其应力变形和破坏机理的重要手段；室内试验和原位测试是确定岩土设计计算参数的主要方法；土工试验和工程实践是验证理论和计算的惟一标准；而现场监测和适当的反分析是信息化设计施工的基础。展望当前岩土力学学科的进展，本文提出对当前科研工作的一些见解，认为无论是关于岩土体的结构性研究，还是各种不确定性理论方法在岩土工程中的应用，重要的是试验技术和理论的提高和测试资料的积累，否则会走向歧途。

关键词: 岩土体试验；测试；本构模型；不确定性理论方法

中图分类号：F470.22 文献标识码：A

引言：

岩土是人类最早接触的自然物质之一，也是人类能够得到的最古老的材料。人类在广袤深厚的土层上耕耘营造，生生不息，建造楼堂殿宇、运河长堤，创造远古和现代文明，是建立在利用“准绳”与“规矩”，勘察与实地勘察测试的基础上。

20世纪60年代以后，土的本构模型关系理论研究成为土力学园地中最为绚烂的花圃，而土工试验则是他们得以生长和开放的沃土。土工试验是揭示土的受力变形机理和验证本构关系理论模型的重要手段[1]。

岩土工程实践性极强，人们在长期实践中观察、思考、试验和测试，总结积累了丰富的经验，认识到岩土试验理论是认识材料特性及其机理的重要方法，古典的土力学理论都是基于对试验的观测和对试验结果的分析之上的。因此，研究岩土体的测试理论今后的发展方向是及其有意义的。

1. 测试理论研究方法

1.1室内试验研究

这种试验是测定岩石的物理及力学性质指标的室内试验方法。其内容主要包括岩石的物理性质试验、岩石的单轴抗压强度试验以及点载试验，岩石的抗剪强度试验及抗拉试验等。但这种方法很难测得非连续岩体的力学性质：其一，试验结果会因为试样扰动而受到影响；其二，试块中含有的非连续面有限，取得的结果与岩体差别很大，需要小心对待室内试验得出的岩体参数。

1.2原位测试研究

原位测试是在岩土体所处的位置，基本保持岩土原来的结构、湿度和应力状态，对岩土体进行的测试，且可在较大范围内测试岩体，其测试结果更具有代表性。但是，原位测试也有其难以克服的局限性，首先，原位测试的应力条件复杂，一般很难直观地确定岩土体的某个参数，因此在选择计算模型和确定边界条件时将不得不采取一些简化假设，由此引起的误差也可能使所得出的岩土体参数不能理想地表征实际岩体的性状，特别是当原位测试中的岩体变形和破坏模式与实际工程不一致时；其次，原位测试一般只能测定现场荷载条件下的岩体参数，而无法预测荷载变化过程中的发展趋势。因此，对于岩体参数的测定，仅仅依靠原位测试也是不行的，需要与室内试验结果相对照[2]。

1.3离散元法

离散元法（Discrete Element Method）考虑结构体受力后的运动状态，以及由此导致受力状态及系统的变形（块体运动）随时间的变化，该法由Cundll于1971年首次提出，用来 计算 结构面和结构体组成岩体的非连续变形，以后又进一步 发展 了考虑块体本身的弹性变形，并推广至三维和动力问题。目前，离散元应用的文章较多，而研究基础计算方法的文章很少，因此，加强离散元法基础理论、基础算法及误差分析方面的研究，汲取有限元法等数值方法的优点，使之既能保持在描述散体的整体力学行为和力学演化全过程方面的优势，又能有效描述介质局部连续处应力状态和变形状态，使离散元法的模型建立真正满足几何仿真，物理（本构）仿真，受力仿真和过程仿真的原则，是离散元法研究领域的首要工作[3]。

1.4声发射技术

声发射技术是20世纪60年代新兴的一项评价材料或构件损伤的动态无损检测技术。声发射AE（Acoustic Emission）是指物体在外界条件作用下，缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂，并以弹性波形式释放出应变能的一种现象。各种材料的声发射频率范围很宽，从次声频到声频、超声频。但声发射信号的强度一般很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器检测、分析声发射信号并确定声发射源的技术称为声发射技术。

2. 理论技术现状

目前工程经验与判断仍然起着不可替代的作用。而模型试验是快速和低成本取得经验的重要手段。所以足尺试验和土工离心模型试验在工程的方案比较中起重要作用。值得注意的是，欧美和日本等科技先进的国家，在岩土工程中对于大型的模型试验和足尺试验，甚至野外的原型试验方面，都投入很大的力量。日本兵库县三木震灾纪念公园的大型三维振动试验台，质量1200t；加速度，水平0.9g，竖直1.5g；最大速度，水平200cm/s；最大位移，水平100cm，竖直50cm。造价5亿美元，一座四层楼房可以在这个振动台上作原型试验[4]。

经验与判断除了来自于以前的工程实践外，在同一工程的实践过程中不断测试与监测，取得信息，超前预报，分析反馈，指导下一步的工程实践，这就是所谓的信息化施工。“新奥法”的精髓应当就是这种工程实践的理念。上海的一些学者在基坑和地下工程实践中总结的“时空效应”的理论与方法也是如此。刘建航院士在上海地铁施工中，在现场亲自监测，他所总结的“理论导向，经验判断，精心监测，合理反算”可以成为岩土工程实践的经典。

3. 测试理论技术发展方向

随着数学和软科学的发展，各种不确定性的理论与方法在岩土工程中受到重视，尤其为一些年轻的学者所喜爱。一时间可靠度、数理统计、随机方法、灰色、模糊、分析、神经网络等在岩土工程中也五彩缤纷，煞是好看。应当说，对于岩土这样性质极为复杂的对象，精确、定量的数理方法常常无能为力。L.A.Zadeh说过，“当系统的复杂性日益增加时，我们做出系统特点的精确而有意义的描述的能力将相应降低”[4]。因而，不确定性理论和方法在岩土工程中肯定是有巨大应用前景的。但是已统计为例，参加统计的样本越多，其精度和可靠度越高，亦即它们是建立在丰富的信息和资料的基础上。脱离了试验、测试与监测，进行的不确定性分析计算，可能只是数学游戏。不认真地进行艰苦的土工试验、土工测试、工程监测，企图从别的学科贩来时髦的东西，并未能解决岩土工程中的实际问题。这样的“研究”，无实事求是之心，有企图走捷径之嫌，是学术浮躁的表现。

4. 结论

基于图的材料性质复杂性和土力学学科的特殊性，试验与测试是土力学学习、研究和工程实践的基本环节；土力学理论依靠试验揭示土的性质与机理，通过试验或现场测试确定参数，通过试验验证理论与模型；在工程实践的正反案例、测试资料和模型与原型试验中取得经验，指导今后的实践；不确定性理论与方法的基础是信息的积累，一方面需要进行大量的试验、测试盒工程监测，另一方面迫切需要的则是岩土工程信息资料的共享。

参考文献：

[1]李广信.岩土工程——学科的特点与进展.见：水利水电工程科学前沿.北京：清华大学出版社2002.240—264.

[2]董兆祥等.2010.岩体斜坡稳定性数字化动态预测.北京.地质出版社.

[3]花冬虎.2006.浅谈岩石力学中对岩体介质的几点认识.江苏冶金.

[4]李广信.岩土工程中试验与测试的地位.