關于巖土力學新分析方法的回顧與思考一．簡要的回顧二十五年前，同濟大學俞調梅教授邀請美國俄亥俄州州立大學吳天行教授來華講學，吳天行教授是最早將巖土力學中的概率方法介紹到中國來的學者。爾后，包承綱教授去美國師承吳天行教授學習概率方法，這是我國大陸第一位出國學習巖土力學中的概率方法的訪問學者。在這以后的時間里，包括可靠度、優化決策等許多新的方法開始在我國巖土力學中應用與發展起來。就在那個時候，俞調梅教授在支持進行新方法研究的同時，又語重心長地告誡大家“不要搞數字游戲”。他還對電子計算機的作用提出了“Garbageinto,garbageout”的警世名言。怎樣解讀俞調梅教授的這些警示呢？按照當時我們的理解，俞先生希望我們結合工程問題進行研究，提醒我們不要脫離實際，不要做沒有工程意義的純數字計算。他認為輸入計算機運算的數據是至關重要的，如果輸入的數據沒有工程意義，即使計算機再精確，輸出的結果也是垃圾，沒有任何工程意義。俞先生的這些意見是遠見卓識的，今天回頭看看，仍覺有現實意義。二十二年前，即1983年的8月，巖土工程學報在分期連載筆者的“巖土工程的可靠性分析”一文時加的編者按語“目前我國從事巖土工程可靠性分析研究工作的同志還不多，為了推動這一工作的開展，特刊載此文，以供讀者參考。”表明學報對于新方法研究的積極支持和扶植。十六年前，中國力學學會巖土力學專業委員會在袁建新教授的主持下，曾經在同濟大學召開過一次巖土力學新分析方法討論會，會議請鄧聚龍教授、何廣納教授、屈智炯教授和陳子蔭教授作了四個特邀專題報告，交流了38篇論文，內容包括概率方法、灰色系統、層次分析、細觀結構、模糊數學方法、時間序列分析等許多新的研究領域。當時這些新方法在巖土力學中的應用剛開始，會議的目的是為了推動巖土力學加速吸收其他學科的新思想，構筑一個交流與探討的平臺，促進巖土力學新的分支學科的形成。1990年代以來，這些新方法已經得到了很大的發展，還有一些方法如神經網絡和遺傳算法等也有了較多的應用，一些研究生的課題也都在這些領域中選題，每年有不少的文章發表，有些方法已日趨成熟。以巖土力學2004年發表的文章為例，內容涉及這些新方法的論文有43篇，約占論文總數的9％，其中可靠度的11篇，模糊數學方法6篇，灰色理論的6篇，細觀結構的5篇，層次分析與優化的3篇，神經網絡與遺傳算法的9篇，其他3篇。說明在巖土力學諸多的領域中這些新方法已占有一席之地，有些方法已經在解決工程問題中顯示其獨特的長處。1990年代初，建設部標準定額司下達的“巖土工程可靠度可行性研究”課題在包承綱教授主持下完成，其他一些部門和地方也立項開展了以工程實用為目標的巖土工程可靠度研究，表示巖土工程中的可靠度方法已進入了政府決策的視野，趨向實用化的方向發展。經過二十多年的努力，巖土力學中的新方法研究已經成為一個值得關注的研究領域，回顧其發展歷程，給了我們許多啟示。對于巖土力學中的這些新方法，見仁見智，存在各種不同的見解和態度，這是十分正常的。就新方法本身而言，有的可能已經開始進入實際應用，有的還處于研究的初期階段，因為是新的方法，總難免有不成熟，不完整的地方，正像一個小孩學習走路一樣，難免搖搖擺擺，需要各方面的支持與幫助。寫這篇文章的目的是為了支持這類新方法的健康發展，避免走不必要的彎路，將學術研究和學術刊物上看到的和在稿件審查中發現的一些問題歸納起來，提出來與讀者一起討論如何正確地開展這些新方法的研究。什么叫新方法？新字體現在那些地方？本文不可能對這些新方法下一個確切的定義，也不可能作非常深入的探討。不過為了便于討論，總得有一個問題的范圍。這里所討論的新方法是指相對于傳統的方法而言的，所謂傳統的方法則是指在確定性假定的基礎上，用固體力學或散體力學的原理，用解析解或數值解求解巖土工程問題的經典數學力學方法。采用不屬于傳統的數學力學方法研究巖土工程問題的各種方法總稱為新方法。其實這些新方法所涉及的領域是千差萬別的，涉及的知識面也相當寬，跨越許多其他學科，這些方法之間也很難相互作比較分析，實際上是一類研究方法群落的總稱。這些新方法雖各有特點，但與傳統方法最基本的區別都是從客觀事物的不確定性、隨機性、模糊性、關聯性等特性出發，建立相應的評價或計算的準則，有的方法不考慮實際的物理過程，根據實測數據按一定的準則建立系統的輸入與輸出之間的定量聯系，也有根據系統論的原理求解復雜系統的工程判別問題。這些新方法都是從其他學科領域中借鑒過來的，但在用于解決巖土工程問題時，很容易過分強調了這些不確定性、隨機性、模糊性、關聯性等非傳統特性，因而很容易忽略巖土的基本特性，脫離傳統巖土力學基本原則的制約，甚至有時可能會失去研究巖土工程問題的正確方向。其實，巖土力學的許多理論都是從其他學科借鑒過來的，這種借鑒最成功的例子莫過于Terzaghi建立的一維固結理論，我們可以從中學習如何處理借鑒與發展的關系。一維固結理論的微分方程的建構，借鑒于熱傳導方程，開創了土的固結理論這個新的土力學研究領域。土的固結過程與熱傳導過程是兩個完全不同的兩類物理過程，但在處理的數學方法上卻可以從中借鑒。當時，Terzaghi是在長期深入研究了飽和土體變形機制的基礎上，提出了有效應力原理之后，才能借鑒熱傳導理論來創建固結理論的。如果沒有對土的性質的深刻認識，沒有處理軟土沉降與時間關系的工程實踐問題，是不可能發展固結理論的。如果說一維固結理論還屬于傳統的方法，那么Vanmarcke提出的隨機場方法和相關距離的概念則是概率方法與土的特性的完美結合，是巖土力學中的新方法研究的一個范例。過去人們習慣于用隨機變量的傳統概念研究巖土特性指標的隨機性，在可靠度分析時卻遇到了一些基本概念上的莫大困難。而Vanmarcke在研究了巖土性質指標的空間特性以后，將隨機場理論引入巖土力學，將巖土這類天然材料的概率特性與人工材料的概率特性正確地區別開來，從而為巖土力學中的概率方法研究開辟了正確的方向。二．巖土力學新方法研究中一些值得注意的問題巖土力學新方法是從其他學科中借鑒過來的，在用于解決巖土工程的疑難問題時，就需要考慮是否符合巖土力學發展的需要，是否有巖土工程的實踐意義和理論意義以及是否背離巖土力學的基本原理。考慮這些基本原則是為了巖土力學中新方法的研究更健康地發展，能夠較好地解決用傳統方法不能解決或解決得不怎么好的工程技術問題。1.研究的問題是否有巖土工程的意義人們在研究非常復雜的工程系統或社會系統的時候，發現已有的數學工具不能完全反映這個系統的本質，或者感到已有的方法已經不能很好地解決面臨的問題了。于是就從數學的寶庫中不斷地汲取新的思想和新的方法，發展了各種各樣的非傳統的數學方法，用于處理各種復雜的數據，找出其中的規律性，以指導解決面臨的工程問題或社會問題。在我們處理巖土工程問題時，也可能產生類似的困惑，需要一種新的思路和新的方法，給人們以解決問題的新途徑。因此，十余年來，巖土力學的新方法得到了人們的重視，呈現出比較快的發展趨勢，說明巖土工程確實需要采用新的方法來注入新的活力，解決一些新的問題。但也不容否認，并不是所有的研究工作都是從巖土工程實踐的需要出發來研究新方法的，也出現了為了研究新方法而去找驗證工程實例的情況，這樣的研究途徑可能將本來是比較簡單的工程問題弄復雜化了，將本來是比較具體的實際問題人為地理論化了，偏離了工程實際的需要，陷入俞調梅教授曾經告誡過的那種“數字游戲”之中了。例如工程優化決策本來是一個很有意義的課題，對于比較復雜的工程決策，當只憑經驗可能得不到正確的結論時，可以引入層次分析、線性規劃、風險決策等數學方法，提出了諸如信息熵模糊層次分析模型和基于組合權重的灰色關聯度方案決策模型等方法，企圖從繁復的現象中發現本質，從不確定性的事物中尋找規律性。在巖土工程領域中，基坑工程確實是一個影響因素比較多的工程類型，研究優化問題的同行常把眼光投向這個領域，希望用優化決策的方法在基坑工程諸多的備選方案中選擇造價最低，性能最好的方案。但是，判斷影響基坑工程性狀的主要因素有時并不非常復雜，各個比較方案之間的優劣也比較明顯。這就不需要引進各種權數，不需要作模糊處理，也不需要進行非常復雜的數學運算，根據基本資料和工程經驗，從分析造價、工期等主要因素著手，就能選出最優的方案。像這類的基坑工程再用模糊理論、層次分析、風險決策等新方法來分析就不僅是多余的，而且還可能會畫蛇添足，但遺憾的是這一類的稿子還是經常能夠看到的。例如有一篇文章對6.5m的基坑采用集對層次理論進行基坑支護方案優選，提出了11個技術經濟指標來分析3個備選方案，進行了非常復雜的計算。但從工期、造價和環境影響這3個主要指標，根據直觀對比就可以得到與優選結果完全一樣的結論。對這樣一個淺基坑，有經驗的工程師完全可以根據自己的經驗進行方案的分析比較，作出選擇；如果要請專家評審，通過分析討論完全可以取得共識的，沒有必要用這種層次方法來處理專家的評價意見，然后再進行定量計算，這就是將簡單問題弄復雜化了。基坑工程問題確實受較多因素的影響，方案優選是很重要的，但依靠這一類方法去解決工程問題是很玄的。這不是說不要研究這類方法的應用了，而是應當賦予這類方法以很強的工程概念，幫助工程師從紛繁復雜的現象中理出思路來，而不是把簡單的問題復雜化。2.研究的假定是否背離巖土力學的基本原理巖土力學的新方法與其他領域的主要差別是以巖土作為研究的對象，與傳統方法的主要區別在于應更好地反映巖土的特征。可是由于新方法可能對傳統巖土力學的某些觀點與方法一般持批判的態度，例如用不確定性的概念取代確定性的概念，考慮計算指標的離散性對計算結果的影響。但新的方法、新的思路不應該也不可能與巖土力學的基本理論背道而馳。例如，可靠度理論建立在概率極限狀態方程的基礎上，它與傳統巖土工程的區別在于認為極限狀態總以一定的概率出現，沒有絕對安全可靠的概念。但極限狀態的物理機制還是建立在力學平衡的基礎上，無論進行何種新方法的研究，應當更深刻地揭示與認識巖土力學的這一基本規律，而不應該違背它。但在有些文章中，研究者在研究模糊可靠度的時候，卻將力學平衡的概念模糊掉了。好幾年以前，有一篇文章認為在荷載增大的過程中，從地基中開始出現塑性區發展到整體破壞是一個模糊的破壞過程，用設定一個隸屬函數的方法來處理這個過程，建立一套模糊安全準則，將土體的彈塑性問題作為模糊過程的兩極。從彈性到塑性的發展過程，本來是一個應力重分布，塑性區逐步擴大的物理過程，具有明確的力學概念，不需要也不可能用模糊數學的方法來處理。因此，這種模糊可靠度的概念就與巖土力學的原理背道而馳了。還有一篇文章認為擋土墻由“完全失穩”到“完全穩定”之間的中間過度時，引入可以表征擋土墻穩定性的隸屬函數，用模糊可靠度的方法進行分析。文中給出了一個算例，擋土墻高度為8m，底寬3.6m，填土為砂，內摩擦角為32°,變異系數為0.15，計算的抗傾覆安全系數為2.70，抗滑安全系數為1.76。從傳統方法的角度看，這樣的安全系數是可以接受的。但用模糊可靠度方法計算的結果是抗傾覆的失效概率為0.19，可靠指標為0.88，抗滑的失效概率為0.29，可靠指標為0.56，這么大的失效概率和如此小的可靠指標在工程上是不能接受的，與傳統方法的結論完全相反。可靠度分析的結論并沒有給予人們新的認識，卻違背了工程師最基本的概念。有位作者認為巖質邊坡的失穩有模糊性，定義了一個失效程度mA，并認為當mA=0.5時，可作為傳統分析的極限平衡狀態，處于最模糊狀態。這就對傳統的力學提出了一個十分嚴肅的問題，力學上的平衡是最模糊的。這樣的提出命題是不合適的，也是不科學的，這就沒有力學平衡的標準了。可靠度分析是建立在合理的確定性計算模式的基礎上，首先需要分析確定性安全系數是否合理。有位作者進行了大量的樁基可靠性計算，但用其數據計算得到的安全系數卻是工程上不能接受的數值，在這樣的基礎上進行的可靠性計算就沒有任何的實際意義。新的分析方法必須建立在正確物理概念的基礎上，如果對本來是有明確力學概念的極限平衡理論提出質疑，將本來是十分清楚的穩定性課題弄得模糊起來了。不恰當地將模糊數學方法引用到沒有任何模糊概念的極限平衡方程上，則計算的結果就不知所云了。在可靠度分析中，對于可靠指標的界限值、允許失效概率的取值、荷載或抗力的取值標準等變量是可以進行模糊處理的。但設計表達式、安全系數和安全余量等概念都是建立在力學平衡的基礎上，這種平衡方程是不能用模糊數學去處理的。3.研究的方法是否符合巖土工程的原則由于巖土工程研究的問題都與自然條件密切相關，具有很強的地區性與經驗性，傳統的巖土力學方法都比較注意對巖土基本性質的研究，注意工程的地質條件和環境條件的概化，重視工程性狀觀測數據的提升，這些由Terzaghi和Peck所創建的、被稱為“觀察法”的研究方法是巖土工程的精髓。既然巖土力學新方法研究的也是巖土工程所面臨的技術問題，觀察法就應該是研究這些新方法的基本原則，離開了這些原則，再好的新方法也無助于解決巖土工程的復雜問題。在將某些新方法移植于巖土力學的時候，研究這些新方法本身的規律需要作者花費很多的精力，因此很容易忽視解決巖土工程問題的傳統方法的基本原則。這些新方法具有比較強的邏輯性，數學的推理比較嚴密，人們往往對其解決問題的可靠性有過高的期待，而忽略了輸入的數據是否可靠，約束條件的設定是否正確，工程條件的概化是否合理。有的所謂實例，其實充其量是一個算例，它所要解決的問題沒有很重要的工程意義，甚至連基本數據也是不真實的。例如，對多孔注漿系統的可靠性，作者用串聯系統來表示，系統的可靠概率是各個子系統可靠概率之積，這在理論上沒有錯，但能否用串聯系統描述多孔注漿這個工程卻值得商榷。假如每個子系統的可靠概率相等，都為90%,當系統由10個子系統組成時，系統的可靠概率已經降為35%，子系統增加至20個時，降為12%，增加至30個時，已經降到了4%。一個隔水帷幕的孔數何至幾十個。即使將子系統的可靠概率增大到99%，則當孔數為100個時，可靠概率也已降到37%，即失效概率已達63%，有2/3的可能性要失效，這在工程上能成立嗎？由此可見，用概率方法來解決工程問題，不能只靠數學公式計算，剛才的計算結果本身沒有錯，但不能說明工程問題，是否在基本概念上出了問題？還有一篇文章將安全系數的取值區間（例如對地基極限承載力一般取安全系數2～3）作為從安全到失穩的模糊過程，進行模糊可靠度分析。將安全系數2作為失穩的標準，顯然，這種分析的方法也完全背離了工程安全度的基本概念。有一篇文章研究土的某一個隨機場參數的計算方法，這是一個非常好的題目，作者提出了一種不等權的統計方法，其思路也是不錯的。對于新的方法，應當從理論上論證和用實際的數據進行驗證，有比較充分的資料證明其方法的合理性和可操作性，才能考慮發表。但作者只根據一條靜力觸探貫入曲線數據的計算結果就急于發表這個方法，顯然是違背了巖土工程問題研究的最基本原則。對于統計計算新方法的研究成果，需要用各種不同條件的資料大量試算，證明可以適用于什么樣的條件，不適用于什么條件，證明新方法確實具有一定的普遍性，才有推廣應用價值。三．關于巖土力學新方法研究的思考回顧了20多年來，巖土力學新方法研究的發展情況和存在的主要問題，可以看到，新方法的研究具有很強的生命力，研究的方向涉及巖土力學的各個方面，正在成為巖土力學研究的一個重要分支領域。但新方法研究的路確實還是非常地漫長，有些方法的適用性還不是很清楚，甚至連研究的方法論也值得研究，需要繼續努力。在研究巖土力學新方法時，要比較采用傳統的方法與新方法解決工程問題的優缺點，新方法是否能夠解決傳統方法所不能解決或不能很好解決的問題，新方法是否具有比較現實的優越性，是否具備采用新方法的必要性。在巖土工程學科中，如果采用傳統的方法能夠比較簡單地解決的工程問題，就不一定非要采用復雜的新方法，研究新方法是手段，其目的是為了解決巖土力學中比較復雜的問題，不是為了研究新方法而研究新方法。新方法的研究建立在學科交叉滲透的基礎上，可以借鑒其他