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岩土工程科研工作的几点体会

从大学算起,学习和从事岩土工程已有二十多年了。随着年龄的增长,断断续续形成了自己的一些认识和体会。受自身知识水平和社会阅历的限制,我的体会可能比较肤浅,权且记录如下,供同行参考。

1、岩土介质的复杂性

岩土工程是实践性很强的专业,工作的目的在于解决实际工程问题。由于岩土体介质是自然界的产物,其地质成因、物质成分、结构特征、物理力学性质等千差万别。无论是认识、分析还是利用岩土体,处处面临着岩土体介质复杂性带来的各种困难。勘察试验、计算分析、设计、施工等过程,深深地刻着“经验性”的烙印。

我一直有种感觉,岩土体好比人体,都是自然的产物。岩土工程的设计人员好比医生,设计和看病都以经验为主,因为面向的对象太复杂了。勘察试验好比化验体检,是设计和医生诊断的依据,但勘察试验和化验体检的技术水平也还很有限,复杂的工程问题和人体病情还没办法做到精细化认识,有些内在作用机理还无法或难以搞清楚。计算分析是设计人员提出设计方案前需要借助的手段,由于问题的复杂性,从工程角度看往往也只能是“估算”。岩土工程施工方案如同看病的方子,抓住了岩土体性质、稳定性特征和变形失稳模式等本质问题,就不会出什么问题,否则会造成工程失败或投资浪费。

2、岩土科研的特点

岩土科研工作的主旨好比提高化验体检的水平,最终的技术成果为工程设计所用。在我国现有工程建设管理体系下,设计方是技术龙头和责任人,施工方的主要职责是按照图纸施工,业主和监理方管资金、质量和进度。岩土工程实践中,没有出现科研总承包,没有规定什么样的工程问题一定要做科研,科研工作做出的成果供设计采用,最终的技术责任由设计担负。科研单位在工程建设中的任何一个环节不需要签字(具有一定法律约束性质的签字),这样也就造成了科研方在现有的行业分工中没有位置,形不成产业、可有可无、不尴不尬的境地。

岩土科研的领域非常广,从技术演进和分工来说可以划分为4个阶段:原创性理论研究、岩土实践理论、工程分析、应用技术。

原创性理论:在物理、力学原理上提出开创性成果,可以在多个行业上得到应用。如石根华提出的DDA和数值流形法,可以用于机械、岩土等多个行业中,原创性理论在岩土界非常少。岩土分析理论:采用已有理论,结合岩土性质加以修正,形成岩土的分析理论。工程分析:将岩土有关的分析理论用于工程问题分析中,大部分岩土科研工作者主要从事这方面的工作。应用技术:如开发出一些技术产品。

4个阶段的分工不同,侧重点自然不同。但岩土科研的最大特点还是将已有的各种理论应用于岩土实践中,建立各种理论和工程实践的桥梁,这也是岩土科研的主要职责,也是一个人经历和精力所决定的。因为几乎没有人能够在原创性理论和岩土设计两个方面(桥梁的两头)同时都精通,这样的人就是凤毛麟角的大家了。

3、科研为实践服务

由于研究对象岩土介质的复杂性,勘察、试验和计算分析中的任何一项技术都值得研究,但岩土科研的最终服务对象是工程设计。科研立项和选题要紧扣工程应用的需要。例如,岩土科研中做数值模拟的很多,研究算法的也很多,可以尽情发挥自己在理论上的高超水平。但建立的计算模式来源于对工程问题的抽象化认识,不能脱离工程实际,哪怕是理论性很强的研究,其本质也是来源于岩土介质特性或某一类工程行为特点。

工程上许多问题可以抽象出理论研究问题,理论研究每一个环节要紧扣工程特点和应用需要。如某一个工程问题背后有哪些科研问题(擅于发现重大问题)?哪些是关键问题(擅于抓住主要矛盾)?哪些能出成果(决定成果的影响力)?研究手段是否先进(决定成果的理论水平)?技术方案是否符合岩土体特点(会不会虚构一个实际不存在的或某些参数不可知的分析模式)?这些问题的把握需要水平。

4、岩土科研的复杂性

岩土科研工作从理论角度看,当然也要求理论的完备性、计算误差分析等;从工程应用角度,就很难衡量计算精度,甚至在岩土工程中是不可能了。“理论计算精度”和“工程计算精度”是完全不同的概念,经常被搞混也被拿来取笑、批判。前者仅仅从理论计算角度来看,对于计算科学,当然要考虑算法的正确性、可靠性和计算精度。后者要结合工程问题的抽象化、计算模型建立、参数取值等环节,无论哪个环节也都是对复杂对象的简单化概括,多个概化性环节结合在一起,决定了分析结果只能是个大概。概括和抽象时能抓住主要问题,分析结果就不错了。因此在工程问题的计算分析中,形成了大家经常所说的“定性为主、定量为辅”的特点。

以边坡稳定分析为例。大部分搞岩土的人都涉及过这项工作,不同人有不同体会,科研和设计人员的体会就很不同。计算分析通常采用极限平衡法或数值方法。对于研究计算方法的人来说,研究的重点在于力学问题,需要对力学原理、计算误差等进行深入讨论。但抽象出来的计算模型不能脱离实际岩土体性质和工程问题本质。如果构造一个不可能出现的计算模型,或者模型中的一些参数和条件是无法勘察得到的,这样的研究就没有什么实际意义了(论文审稿时确实发现存在这种现象)。对于从事应用分析的人来说,一方面需要对计算方法的原理有充分的了解,也就是说对使用工具的性能、优缺点等做到心里有数。并且,更需要对边坡形态、岩土体成分、地质结构特征、介质物理力学性质、变形失稳模式和主要控制因素等进行认识和把握。其中,失稳模式、破坏面位置和力学参数是最重要的因素。破坏面位置和力学参数是很难精确确定的(需要很高的勘察试验费用,并且也要有“窥一斑而见全豹”的把脉功夫),失稳模式的判断则体现对工程地质知识的积淀。再者,降雨、地震等外界因素在计算分析时需要考虑,而这些因素都有些说不清道不明。此外,计算边坡稳定系数的绝对值是很难的。将建立的边坡计算模型、勘察试验参数直接输入计算,可能得出无法理解的稳定系数。因此,很多情况下是根据经验假定一个稳定系数,反算并检验输入的计算模型和抗剪强度参数。但计算边坡在现有条件下稳定系数提高到设计安全系数所需的支护力,却可以准确得多,这也就是边坡支护设计必须要进行计算的原因。治理措施首先要考虑经济性,然后是可行性和难易程度,能抓住问题的主要矛盾对症下药的治理方案就是成功的,有些方案可能没有抓住主要矛盾造成治理不成功,或造成投资浪费。

5、保持良好的科研精神面貌

当前我们学术界和工程界普遍存在学术浮躁已是不争的事实。各种考核、评比、报奖都需要大量时间去做。这些工作本身并不创造学术价值。最终的结果是,投入研究的时间少了,搞关系的多了;关心成果水平和价值的少了,看荣誉和光环的多了。国家科研体制也在不停改革和深化,其目的无非就是适应时代变化去克服各种新老弊端。

在这样的环境下,科研工作者要放平心态思考几个问题:自己希望从科研工作中得到什么?如何体现自己的价值?拿到的和付出的是否匹配?我觉得这几点是做不得的:一是把拿项目当成生意去做,项目负责人对技术成果的真正水平并不能控制也不能准确定位;二是承担自己并不熟悉的项目;三是不能沉下心做研究而对各种荣誉和“帽子”感兴趣。

以上几点拙见供您参考,不妥之处还请不吝批评指正。