岩土工程中的预测与预算

岩土材料是自然地质历史的产物，一般是破碎的、不连续的或部分连续的介质。材料属性非常复杂；它具有很大的时间空可变性。在岩土工程中，其地基或岩土环境几乎不可能完全了解；边界条件和操作过程也有很大影响。因此，岩土工程问题具有很强的不确定性。这种不确定性，包括互补率的打破，是非此即彼的情况，属于模糊判断的主体。另一方面是因果关系的缺失，即因果关系的不确定性。一个原因有许多影响。属于概率论、数理统计、混沌的范畴。因此，对于这样一个复杂的对象和众多的影响因素，准确和定量的预测和预算是相当困难的。基于纯理论和技术技巧的预测往往不成功，经验判断必不可少。

以土壤的分散颗粒为骨架，由固、液、气三相组成；岩石在风化、搬运、沉积过程中历经多次沧桑，形成了不同于其他材料的复杂力学性质，土壤在不同条件下的性质也各不相同空。因此，尽管有一百多个土体本构关系的纯数学模型，这些模型采用了传统力学和现代力学的各种理论和手段，但迄今为止，还没有一个公认的数学模型能够准确、全面地反映各种土体的应力应变关系。这种模式是否存在值得怀疑。

在计算机和计算技术的基础上，以有限元为代表的数值计算是解决边值问题的有力手段。当用于计算弹性体时，其精度是惊人的。计算结果与光弹性试验结果相差无几，光弹性试验很快被废止。土是一种碎片化的材料，在一般数值计算中首先假定为连续体，然后进行离散化。土的应力-变形关系是在假设各单元的节点位移协调的基础上计算的。这往往不能反映土体变形的微观机理。以DDA(非连续变形分析)为代表的离散元计算方法，在计算一些农产品(如谷物)和工业零件(如球)时相当成功。以至于所谓的“数值试验”可以准确地代替模型试验。定性地探讨土体变形的微观机理也是有价值的。然而，即使有可能，要描述由不同大小、形状和矿物组成的颗粒组成的土壤，并反映不同三相组成及其物理、化学和力学的相互作用，可能还有相当长的路要走。

数学和数值预测的另一个难点是土壤参数的选取，受取样(制样)和实验手段的限制。原状土在取样过程中不可避免地会受到扰动，应力释放，破坏其结构。即使是重塑土样，制样方法、仪器和操作程序的差异也严重影响试验结果。另一方面，目前使用的土工试验仪器也有局限性。以真三轴仪为例，由于边界之间的干扰，很难保证试样应力应变的均匀性。
在地基和岩土建筑检测中，土层的时间空变化和人类活动给勘探试验和成果解释带来了困难。此外，岩土工程中复杂的边界条件和施工过程中的诸多因素也严重影响了工程的实际效果。

在我国，每年都有大量的论文和报告发表和撰写，提出各种理论、模型、计算方法、计算程序和技术手段，往往伴随着实验或实测数据的验证，结果往往“吻合良好”。我自己的实验或观察证实了理论或方法的完善性，那就是:“人各夸其色，各园为王。”这个结果的可信度值得怀疑。在回顾一些论文和成果的时候，作者往往对那些彼此完美匹配的图形和曲线产生极大的不信任感。但是，存在相当大的分歧，甚至坦白承认预测不成功，是完全可以理解的。可惜后者少。

近年来，国外举行了许多“考试”或“竞赛”:首先委托一个(或几个)单位进行所谓的“目标实验”，即需要预测或预算的实验或实例。结果保密，或者预测前不进行测试，预测后再进行测试。提前发布关于土的一般信息，基础试验的数据(确定相关参数)和目标试验的应力(应变)路径。在全球或一定范围内征集参赛选手(参加目标测试者不得参加)。所有预测结果提交后，将公布测试结果。一般会举办研讨会，评估或者评分。参与者也经常争论和总结。这是一种客观、公正、权威的检查比较方式。它也是促进岩土工程发展的一种非常有用的活动和手段。让我们意识到我们在岩土工程领域的认知能力和预测能力有多高。
检测方法和设备的检查和比较

1.不同仪器的同一试验的检验

1982年在法国格勒诺布尔召开的土的本构关系国际研讨会上，德国卡尔斯鲁伯大学和法国格勒诺布尔大学用剑桥立方体真三轴仪对同一种砂土和粘性土进行了复杂应力路径和应变路径的真三轴试验，两次试验结果不同。由于使用的仪器与土壤材料相同，所以差异主要源于操作方法和技巧。

1987年，在美国克利夫兰召开的无粘性土本构关系国际研讨会上②，用美国凯斯大学空中心圆柱扭剪仪和法国格勒诺布尔大学剑桥立方体真三轴仪对砂土进行了相同应力路径的试验。测试内容包括:

(1) b =两种不同常数、不同密度砂土的真三代试验；其中b = (σ 1-σ 2)/(σ 1-σ 3)

(2)π平面上应力路径为圆形的真三轴试验(两周)。

(b=常数的真三轴试验与空中心圆柱试验的比较)给出了b =不同常数时，两种仪器得到的轴向应力与轴向应变、轴向应变与体应变的关系曲线。可以看出，当b=0和0.28时，不同仪器的测试结果差别很大。但是在评价他们的时候，主持人说:对于轴向应变，除了0.286的结果很差，其他曲线都非常吻合；(b)体积应变εv和轴向应变εz之间的试验曲线被认为非常一致。把我们一些论文中的理论曲线和实际曲线对比，是不成立的。在这两种试验中，试样的破坏模式也有很大的不同:空芯筒试样发生颈缩；立方体产生一个V形剪切带。这些差异可能是由不同的样品制备方法、样品中不同的实际应力分布和试验中不同的边界条件造成的。