巖石力學(xué)確定性研究方法不足(巖石力學(xué)的研究方法,有什么區(qū)別)

1.巖石力學(xué)的研究方法有哪些,有什么區(qū)別

巖石力學(xué)的研究方法主要是：科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論分析?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)包括室內(nèi)試驗(yàn)、野外試驗(yàn)和原型觀測（監(jiān)控）。室內(nèi)試驗(yàn)一般分為巖塊（或稱巖石材料，即不包括明顯不連續(xù)面的巖石單元）試驗(yàn)和模型試驗(yàn)（主要是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和大工程模擬試驗(yàn)）。野外試驗(yàn)和原型觀測是在天然條件下，研究包括有不連續(xù)面的巖體的性狀，是巖石力學(xué)研究的重要手段，也是理論研究的主要依據(jù)。理論分析是對巖石的變形、強(qiáng)度、破壞準(zhǔn)則及其在工程上的應(yīng)用等課題進(jìn)行探討。在這方面，長期以來沿用彈性理論、塑性理論和松散介質(zhì)理論進(jìn)行研究。由于巖石力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，所以這些理論的適用范圍總是有限的。近年來，雖然發(fā)展了一些新的理論（如非連續(xù)介質(zhì)理論），但都不夠成熟。1960年代以來，數(shù)值分析方法和大型電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用給巖石力學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。用這種方法和計(jì)算設(shè)備可以考慮巖石的非均質(zhì)性，各向異性，應(yīng)力-應(yīng)變的非線性和流變性，粘、彈、塑性，等等。但是由于當(dāng)前巖石力學(xué)的試驗(yàn)方法較落后，還無法為計(jì)算提供準(zhǔn)確的參數(shù)及合適的邊界條件，使計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用受到影響。

在研究中，一般應(yīng)注意以下三個(gè)基本問題：①巖石是一種復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)，研究工作都須在地質(zhì)分析，尤其是在巖體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行；②研究巖石力學(xué)的電要目的是解決工程實(shí)際問題，由于在工程實(shí)踐中巖石力學(xué)涉及地球物理學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、施工技術(shù)等學(xué)科，因此有關(guān)學(xué)科的研究人員以及工程勘測設(shè)計(jì)，施工人員的密切合作至關(guān)重要；③巖石性質(zhì)十分復(fù)雜，目前使用的理論和方法還不能完全描述自然條件，因此強(qiáng)調(diào)在現(xiàn)場對巖石的性狀進(jìn)行原型觀測，并利用獲得的資料驗(yàn)證或修改理論分析結(jié)果和設(shè)計(jì)方案。對工程實(shí)踐而言，巖體中的非連續(xù)面和軟弱夾層往往是控制巖體穩(wěn)定的主導(dǎo)因素。它們的力學(xué)特性，特別是流變性及其對建筑物的影響，日益受到重視。

2.不確定性分析有哪幾種主要方法

進(jìn)行不確定性分析，需要依靠決策人的知識、經(jīng)驗(yàn)、信息和對未來發(fā)展的判斷能力，要采用科學(xué)的分析方法。

通常采用的方法有：①計(jì)算方案的損益值。即把各因素引起的不同收益計(jì)算出來，收益最大的方案為最優(yōu)方案；②計(jì)算方案的后悔值。

即計(jì)算出由于對不肯定因素判斷失誤而采納的方案的收益值與最大收益值之差，后悔值最小的方案為最佳方案；③運(yùn)用概率求出期望值，即方案比較的標(biāo)準(zhǔn)值，期望值最好的方案為最佳方案；④綜合考慮決策的準(zhǔn)則要求，不偏離規(guī)則。概括起來就是不確定性分析可分為盈虧平衡分析、敏感性分析、概率分析和準(zhǔn)則分析。

其中盈虧平衡分析只用于財(cái)務(wù)評價(jià)，敏感性分析和概率分析可同時(shí)用于財(cái)務(wù)評價(jià)和國民經(jīng)濟(jì)評價(jià)。按不確定性類型及處理方法不同也可進(jìn)行下列分類：變化情況 處理方法變化有一定范圍 盈虧平衡分析 敏感性分析變化遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律 概率分析變化既無范圍又無規(guī)律 準(zhǔn)則分析。

3.巖石力學(xué)的基本內(nèi)容大致可歸納哪幾個(gè)方面

巖石力學(xué)（Rock Mechanics）是一門研究巖石在外界因素（如荷載、水流、溫度變化等）作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性及加固的學(xué)科。又稱巖體力學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)分支。研究目的在于解決水利、土木工程等建設(shè)中的巖石工程問題。它是一門新興的，與有關(guān)學(xué)科相互交叉的工程學(xué)科，需要應(yīng)用數(shù)學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、土木工程學(xué)等知識，并與這些學(xué)科相互交叉。

巖石力學(xué)的誕生是以解決巖石工程穩(wěn)定性問題和研究巖石的破碎條件為目的而誕生的。其研究介質(zhì)不僅非常復(fù)雜，而且存在許多力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定性或不確定性因素，這就使得本學(xué)科獨(dú)立的、完善的、系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論難以建立、巖石力學(xué)的發(fā)展始終引用和發(fā)展固體力學(xué)、土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等學(xué)科的基本理論和研究成果，或者引用這些相關(guān)學(xué)科的研究成果來解決巖石工程中的問題，因此，偏重不同行業(yè)應(yīng)用的巖石力學(xué)往往有不同的定義，迄今巖石力學(xué)也沒有統(tǒng)一的定義。

4.除有限單元法外,巖土工程常用到哪些數(shù)值方法,并對比其優(yōu)缺點(diǎn)

巖土工程常用的數(shù)值方法包括：有限差分法、邊界元法、離散元法、顆粒元法、不連續(xù)變形分析法、流形元法、模糊數(shù)學(xué)方法、概率論與可靠度分析方法、灰色系統(tǒng)理論、人工智能與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、時(shí)間序列分析法。

有限單元法的優(yōu)缺點(diǎn)：有限單元法的理論基礎(chǔ)是虛功原理和基于最小勢能的變分原理，它將研究域離散化，對位移場和應(yīng)力場的連續(xù)性進(jìn)行物理近似。有限單元法適用性廣泛，從理論上講對任何問題都適用，但計(jì)算速度相對較慢。

即，物理概念清晰、靈活、通用、計(jì)算速度叫慢。 有限差分法：該方法適合求解非線性大變形問題，在巖土力學(xué)計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用。

有限差分法和有限單元法都產(chǎn)生一組待解方程組。盡管這些方程是通過不同方式推導(dǎo)出來的，但兩者產(chǎn)生的方程是一致。

另外，有限單元程序通常要將單元矩陣組合成大型整體剛度矩陣，而有限差分則無需如此，因?yàn)樗鄬Ω咝У卦诿總€(gè)計(jì)算步重新生成有限差分方程。在有限單元法中，常采用隱式、矩陣解算方法，而有限差分法則通常采用“顯式”、時(shí)間遞步法解算代數(shù)方程。

邊界元法：該方法的理論基礎(chǔ)是Betti功互等定理和Kelvin基本解，它只要離散求解域的邊界，因而得到離散代數(shù)方程組中的未知量也只是邊界上的量。邊界元法化微分方程為邊界積分方程，離散劃分少，可以考慮遠(yuǎn)場應(yīng)力，有降低維數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以用較少的內(nèi)存解決較大的問題，便于提高計(jì)算速度。

離散元法：離散元法的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律并結(jié)合不同的本構(gòu)關(guān)系，適用對非連續(xù)體如巖體問題求解。該方法利用巖體的斷裂面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元就是被斷裂面切割的巖塊，視巖塊的運(yùn)動(dòng)主要受控于巖體節(jié)理系統(tǒng)。

它采用顯式求解的方法，按照塊體運(yùn)動(dòng)、弱面產(chǎn)生變形，變形是接觸區(qū)的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，由牛頓定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解，無需形成大型矩陣而直接按時(shí)步迭代求解，在求解過程中允許塊體間開裂、錯(cuò)動(dòng)，并可以脫離母體而下落。離散元法對破碎巖石工程，動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)問題能給出較好解答。

顆粒元法：顆粒元方法是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用，它采用數(shù)值方法將物體分為有代表性的多個(gè)顆粒單元，通過顆粒間的相互作用來表達(dá)整個(gè)宏觀物體的應(yīng)力響應(yīng)，從而利用局部的模擬結(jié)果來計(jì)算顆粒群群體的運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力場特征。 不連續(xù)變形分析方法：該方法是并行于有限單元法的一種方法，其不同之處是可以計(jì)算不連續(xù)面的錯(cuò)位、滑移、開裂和旋轉(zhuǎn)等大位移的靜力和動(dòng)力問題。

此方法在巖石力學(xué)中的應(yīng)用備受關(guān)注。 流形元法；該方法是運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)“流形”的有限覆蓋技術(shù)所建立起來的一種新的數(shù)值方法。

有限覆蓋是由物理覆蓋和數(shù)學(xué)覆蓋所組成的，它可以處理連續(xù)和非連續(xù)的問題，在統(tǒng)一解決有限單元法、不連續(xù)變形分析法和其他數(shù)值方法的耦合計(jì)算方面，有重要的應(yīng)用前景。 無單元法：該方法是一種不劃分單元的數(shù)值計(jì)算方法，它采用滑動(dòng)最小二乘法所產(chǎn)生的光滑函數(shù)去近似場函數(shù)，而且又保留了有限單元法的一些特點(diǎn)。

它只要求結(jié)點(diǎn)處的信息，而不需要也沒有單元的信息。無單元法可以求解具有復(fù)雜邊界條件的邊值問題，如開裂問題，只要加密離散點(diǎn)就可以跟蹤裂縫的傳播。

它在解決巖石力學(xué)非線性、非連續(xù)問題等方面具有重要價(jià)值和發(fā)展前景?；旌戏ǎ簩τ趶?fù)雜工程問題，可采用混合法，即有限單元法、邊界元法、離散元法等兩兩耦合來求解。

模糊數(shù)學(xué)方法：模糊理論用隸屬函數(shù)代替確定論中的特征函數(shù)描述邊界不清的過渡性問題，模糊模式識別和綜合評判理論對多因素問題分析適用。 概率論與可靠度分析方法：運(yùn)用概率論方法分析事件發(fā)生的概率，進(jìn)行安全和可靠度評價(jià)。

對巖土力學(xué)而言，包括巖石（土）的穩(wěn)定性判斷、強(qiáng)度預(yù)測預(yù)報(bào)、工程可靠度分析、頂板穩(wěn)定性分析、地震研究、基礎(chǔ)工程穩(wěn)定性研究等。 灰色系統(tǒng)理論：以“灰色、灰關(guān)系、灰數(shù)”為特征，研究介于“黑色”和“白色”之間事件的特征，在社會科學(xué)及自然科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

巖土力學(xué)中，用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行巖體分類、滑坡發(fā)生時(shí)間預(yù)測、巖爆分析與預(yù)測、基礎(chǔ)工程穩(wěn)定性、工程結(jié)構(gòu)分析，用灰色關(guān)聯(lián)度分析巖土體穩(wěn)定性因素主次關(guān)系等。 人工智能與專家系統(tǒng)：應(yīng)用專家的知識進(jìn)行知識處理、知識運(yùn)用、搜索、不確定性推理分析復(fù)雜問題并給出合理的建議和決策。

巖石力學(xué)中，可進(jìn)行如巖土（石）分類、穩(wěn)定性分析、支護(hù)設(shè)計(jì)、加固方案優(yōu)化等研究。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法：試圖模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的組織方式來構(gòu)成新型的信息處理系統(tǒng)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、記憶和推理過程進(jìn)行信息處理。

巖石力學(xué)中，用于各種巖土力學(xué)參數(shù)分析、地應(yīng)力處理、地壓預(yù)測、巖土分類、穩(wěn)定性評價(jià)與預(yù)測等。 時(shí)間序列分析法：通過對系統(tǒng)行為的漲落規(guī)律統(tǒng)計(jì)，用時(shí)間序列函數(shù)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。

巖石力學(xué)中，用于礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究、巖石蠕變、巖石工程的位移、邊坡和硐室穩(wěn)定性等、基礎(chǔ)工程中降水、開挖、沉降變形等與時(shí)間相關(guān)的問題。