很长～好难整理ＸＤ 有提到总应力分析但好像不多 http://www.geotech.org.tw/EPAPER/preview.aspx?ID=235 ‧赠言～利用数值分析精致化大地工程的分析 (欧章煜) 承地工技术之邀，希望於「数值分析」之 专辑中撰写赠言，深感荣幸。 大地工程分析的类型大致可分为稳定分析与变形分析。早期最有名的大地工程 分析程式应该为分析坡地稳定的STABL 。不过，因为STABL 是利用极限平衡的理论 发展而得，仅能分析稳定问题。後来虽然有新的稳定分析程式发展出来，但真正突 破的不多，加上STABLE发展完备，实务上的应用仍然以STABL为主。 早期大地工程的变形分析大都用采用弹性分析或Mohr-Coulomb或Drucker- Prager弹塑性分析，这些土壤模式不见得能够模拟土壤真正的行为。自1968年 Roscoe and Burland等利用临界土壤力学的理论发展Cam-Clay model之後，土壤力 学的理论趋於完整。之後许多学者陆续提出以临界土壤力学理论及塑性理论为基础 的土壤模式，也发展许多有限元素法程式。可能由於计算机的普遍性、容量及速度 的问题，以及大部分的程式是研究机构为某种特殊目的而发展而成，造成使用上的 亲和力不够且程式非属於一般化 （generalized），使得这些模式及电脑程式的普 及性不佳。 1980年代，许多力学分析商业程式开始问普及，例如ANSYS、NASTRAN等。有些 程式亦建构Mohr-Coulomb模式，因此在当时虽然没有大地专业程式，但许多工程师 及研究者也勉强用这些结构或力学分析程式凑合着使用。然而这些程式并没有特别 为大地工程的分析作考虑，使用上相当不方便。为了研究上的方便，包括笔者在内 许多学者，也陆续发展有限元素法程式。之後，许多大地工程专业程式例如FLAC、 CRISP、PLAXIS及ABAQUS等陆续被发展出来。许多常见的土壤模式，例如 Mohr-Coulomb、Cam-Clay model及许多高阶土壤模式也陆续被建置於程式中。这些 商业程式写得相当精致，不但程式收敛性佳，程式也提供包括介面元素等各种选项 及不同性质的元素。显然的，大地工程师因而可以更方便的分析大地工程问题。 大地工程专业程式与一般结构或力学程式最大不同点在於大地工程专业程式必 须区分分析方法为总应力分析及有效应力分析。前者将土壤与水考虑成一种土、水 混合物的单一材料，後者将土壤与水考虑成两种材料，分别承受有效应力及水压力 ，但两者性质又互相影响。有效应力分析必须采用有效应力土壤模式，同样的，总 应力分析必须采用总应力模式。一般而言，砂质土壤必须采用有效应力分析，使用 建置於商业程式内之有效应力模式分析结果尚佳。粘性土壤的不排水分析可以采用 总应力分析及有效应力分析；采用不排水分析时，必须考虑到孔隙水压力的发展。 以分析合理而言，应该采用有效应力分析或有效应力土壤模式（基於有效应力的原 理）。然而现有建置於程式的有效应力模式过於简化，无法模拟真正土壤的行为。 例如Cam-Clay模式，虽然已经有坚实的理论基础，但有些假设过於简化（例如：降 伏面对称於平均主应力轴），分析结果不是很好。高阶模式又显得过於复杂，所需 要的参数过多，这些参数又不是能够从传统土壤试验中获得，有名的MIT E3或MIT S1模式就是典型的例子。因此MIT E3及MIT S1虽然已经发展分别超过10年以上，但 尚未普遍的建置於程式中或应用於实际的分析中。虽另一方面，这两种模式的理论 精致，也有实验的验证，但至目前为止，尚未看到令人满意的实际案例的验证。 有效应力粘土的分析的研究仍然必须继续进行。 总应力不排水分析在大地工程实务分析，甚至於研究上的使用，甚为常见。然 而总应力分析不是奠基於有效应力原理，因此进行不排水分析时，总应力模式无法 考虑到主应力旋转所造成的孔隙水压力发展。因此之故，总应力分析的结果有时不 为有些研究者所接受。然而由於其使用上的方便，及有效应力不排水分析的不方便 性，总应力的分析仍然为许多研究者及工程师所采用；主要的原因为强度参数取得 方便，但劲度参数就必须靠经验公式取得。 虽然目前商业套装程式已经撰写得不错，但由於使用时，选项相当多，使用者 常常甚感迷惑。在进行粘土不排水分析时，有效应力及总应力分析原理不为大家普 遍了解，因而又影响到参数的选取，造成分析方式及结果相当混乱。笔者看过不少 硕博士论文及审查案件，发现分析方式正确而得到正确分析结果的分析相当少见， 很多的分析方法大有问题。好在，当分析者因为使用不正确分析方法造成结果不佳 时，就调整参数使得分析结果合乎经验值（反正许多参数的不确定性很高）。这麽 一来，就有一个问题产生：既然要依靠经验调整参数，那为何要采用这麽复杂及昂 贵的分析方法？ 再者，欲使大地工程的分析结果合理，参数的选取当然很重要。土壤模式的理 论愈完整，输入参数愈有机会直接从室内试验或现地试验取得；因为有效应力模式 是基於有效应力原理发展而成，未来应该有机会令其参数直接从传统试验中得来， 这就有靠大家的努力了。总应力分析或模式的强度参数可以直接从试验得来，但其 劲度参数就必须靠经验公式取得，除非这个总应力模式为stress path dependent 的模式。笔者近来与华夏技术学院的谢百钩教授发展的USC model （undrained soft clay model）为stress path dependent的模式，且考虑到土壤 在小应变下的行为，因此分析结果相当合理，且输入参数可以直接从传统室内试验 中得来。 根据笔者的最近研究成果发现，若拟进行有效应力排水分析，使用 Mohr-Coulomb模式或HS (hardening soil) 模式可以得到不错的结果，强度参数可 以直接从试验中得来，劲度参数必须用经验公式推估。若拟进行有效应力不排水分 析，采用Cam-Clay 模式，参数必须进行调整。当土壤行为接近於极限状态时，采 用HS模式且其参数直接从试验中得来，可以得到不错的分析结果；换句话说，若土 壤行为距离极限状态甚远，则HS模式分析结果也不甚理想。若要分析开挖引致之地 盘沈陷，Cam-Clay 模式、HS模式、HS small模式（考虑小应变行为）的分析结果 均不理想。 笔者也建议实务工程师们，使用商用程式进行不排水分析时必须弄清楚您使用 的是有效应力分析还是总应力分析。无论哪一种分析，必须参考手册，以便正确的 设定地下水位及孔隙水压，因为每一种程式对於水位或水压的设定方式不同。再者 ，必须找个具有完整监测及土壤试验的案例当作bench mark，以进行分析，以便从 分析结果与监测值比较过程中，辅以手册的说明，建立参数决定方式，然後才正式 进行分析，这样子分析的结果才会比较合理。 -- ◥█◣ ◢█◤ 锐利 就有征服力 ◥█◣ ◢█◤ 型‧动‧力 ︰ ◥█◣ ◢█◤ ︰ ◥ˍ▁◤◢ˍ▁▂▂▂▂▂▂▁▂▃▄▅▆▇￣￣ ︰ ◥█◣ ◢█◤ ︰ ◢████▂▂▂▂◤◢█◤ ‘． ◥█◣◢█◤ ．’ ◢█◤◢ˍ▁▂▂▂◤◢█◤ ＰＯＷＥＲˇdrmonpu ‘．◥██◤．’◢ˍ▁▁▁◢ --

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