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。科學(xué)實(shí)驗(yàn)包括室內(nèi)試驗(yàn)、野外試驗(yàn)和原型觀測(cè)（監(jiān)控）。室內(nèi)試驗(yàn)一般分為巖塊（或稱(chēng)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(cè)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(duì)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(zhǎng)期以來(lái)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(lái)，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(lái)，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(wú)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(wèn)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(wèn)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(cè)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(chǎng)對(duì)巖石的性狀進(jìn)行原型觀測(cè)，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(duì)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(duì)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)、信息和對(duì)未來(lái)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(lái)，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(duì)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(lái)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(píng)價(jià)，敏感性分析和概率分析可同時(shí)用于財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。按不確定性類(lèi)型及處理方法不同也可進(jìn)行下列分類(lèi)：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(wú)范圍又無(wú)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(mén)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(chēng)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(wèn)題。它是一門(mén)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(shí)，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(wèn)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(lái)解決巖石工程中的問(wèn)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(méi)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(duì)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(zhuān)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(shì)能的變分原理，它將研究域離散化，對(duì)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(duì)任何問(wèn)題都適用，但計(jì)算速度相對(duì)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(wèn)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(guò)不同方式推導(dǎo)出來(lái)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(wú)需如此，因?yàn)樗鄬?duì)高效地在每個(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(chǎng)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(wèn)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(duì)非連續(xù)體如巖體問(wèn)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(wú)需形成大型矩陣而直接按時(shí)步迭代求解，在求解過(guò)程中允許塊體間開(kāi)裂、錯(cuò)動(dòng)，并可以脫離母體而下落。離散元法對(duì)破碎巖石工程，動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)問(wèn)題能給出較好解答。

顆粒元法：顆粒元方法是通過(guò)離散單元方法來(lái)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(guò)顆粒間的相互作用來(lái)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(lái)計(jì)算顆粒群群體的運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力場(chǎng)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(kāi)裂和旋轉(zhuǎn)等大位移的靜力和動(dòng)力問(wèn)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(lái)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(wèn)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(wú)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(chǎng)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(méi)有單元的信息。無(wú)單元法可以求解具有復(fù)雜邊界條件的邊值問(wèn)題，如開(kāi)裂問(wèn)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(wèn)題等方面具有重要價(jià)值和發(fā)展前景?；旌戏ǎ簩?duì)于復(fù)雜工程問(wèn)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(lái)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(guò)渡性問(wèn)題，模糊模式識(shí)別和綜合評(píng)判理論對(duì)多因素問(wèn)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(píng)價(jià)。

對(duì)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(cè)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(huì)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(lèi)、滑坡發(fā)生時(shí)間預(yù)測(cè)、巖爆分析與預(yù)測(cè)、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(zhuān)家系統(tǒng)：應(yīng)用專(zhuān)家的知識(shí)進(jìn)行知識(shí)處理、知識(shí)運(yùn)用、搜索、不確定性推理分析復(fù)雜問(wèn)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(lèi)、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(lái)構(gòu)成新型的信息處理系統(tǒng)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、記憶和推理過(guò)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(cè)、巖土分類(lèi)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)等。 時(shí)間序列分析法：通過(guò)對(duì)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(kāi)挖、沉降變形等與時(shí)間相關(guān)的問(wèn)題。