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巖土工程專業(yè)研究生論文存在的問題探討論文
隨著研究生招生規(guī)模的擴大及就業(yè)形勢的日益嚴峻，越來越多的學生選擇了繼續(xù)深造，一方面可以暫時回避當前就業(yè)難的現(xiàn)狀，另一方面期望更高的學位能在今后的求職中取得優(yōu)勢。應該說在校研究生中真正喜歡所學專業(yè)，并致力于研究的人不多。很多學生本著混個文憑的想法進入學校學習，導致論文質量嚴重下降，當然其根本原因還在于導師指導不力，把關不嚴。下面結合筆者的教學經驗，從理論研究、試驗研究和數(shù)值計算三方面分析目前巖土工程專業(yè)
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研究中普遍存在的問題，希望能引起足夠的重視，以其更加嚴謹、踏實的作風致力于科學研究。
—、理論研究中存在的問題
任意翻開巖土工程專業(yè)的學術刊物，里面提到的新理論、新方法隨處可見。就土體本構模型而言，目前研究提出的各種新模型數(shù)不勝數(shù)。稍微對原來模型或者參數(shù)修改一下提出一個新模型，這樣的情況較為普遍。更常見的方法是由試驗研究總結出一些規(guī)律，在擬合或模擬試驗規(guī)律的基礎上提出新的模型或方法，然后用此模型計算出結果與試驗結果相對比，得到預測結果與試驗結果吻合的結論，于是模型就得到了驗證。
上述研究思路在目前研究生論文中相當普遍，但并不可取。新模型建立在擬合試驗規(guī)律的基礎上，肯定與試驗結果吻合，如此來驗證模型的正確性頗有不妥？筆者認為，可以通過試驗研究發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，并用數(shù)學方法進行模擬或擬合。驗證模型的正確性可從以下幾個方面入手。
(一)用模型驗證不同土體的試驗結果
對同一種類不同土體進行試驗，如果試驗結果可用同樣的表達式或方法模擬，則所提出的模型是正確的，只是不同土體的模型參數(shù)會有所不同。也就是說，要對多種土體進行試驗研究，土體的性質可以類似，如:試驗對象都是軟粘土，則可以選取不同地方的軟粘土進行多組試驗研究，這樣得出的結論才有說服力。有人質疑，研究生論文研究時間很短，很難對多種土體進行試驗或多組試驗，要求對不同土體進行試驗是不現(xiàn)實的。這里強調的是一個學術態(tài)度的問題。換句話說，提出的新模型要經得起推敲和驗證。遺憾的是，國內很少有人對別人提出的模型進行驗證，因為僅驗證別人的成果是達不到學校規(guī)定論文創(chuàng)新點要求的，這在很大程度上助長了學術不嚴謹?shù)淖黠L。國外同行看待一個新模型或新方法，首先想到的工作是驗證其正確性，進行同樣的試驗或同樣的計算用同樣的方法及參數(shù)進行驗證，而不是盲從。這也是為什么SC刊源非常強調投稿論文一定要詳細介紹試驗步驟或方法、試驗材料、所用參數(shù)等等，其目的就是讓讀者可以依據文中介紹的方法或參數(shù)，重復論文中的研究工作，以驗證其正確性。
(二)用模型驗證文獻中的試驗結果
學生在較短的時間內不可能進行很多的試驗研究，但文獻中的試驗數(shù)據是非常好的資源，可以充分利用。用文獻中的試驗結果驗證新模型的正確性是一個很好的方法，它一方面解決了試驗數(shù)據不足的困難，另一方面也提高了模型的可信度。
(三）與已有模型結果對比
新模型的正確性和優(yōu)越性如何，還需要與舊模型的預測結果對比、驗證，才能看出新模型的先進性和優(yōu)越性，目前這方面的工作還很欠缺。
當前，很多模型通用性較差，很重要的原因就是上述問題沒有解決好。對一種土體進行試驗后就提出一個模型，這樣的研究態(tài)度十分草率，研究生論文研究中應該杜絕此類現(xiàn)象。
二、試驗研究中存在的問題
試驗研究是巖土工程一個重要的研究方法和手段，很多新的規(guī)律、現(xiàn)象都是通過試驗發(fā)現(xiàn)的，試驗研究的可靠性直接關系到后續(xù)理論研究的正確性。
(一)土樣問題
目前，很多試驗土樣都是請人取樣后送到試驗室的，現(xiàn)場取土大多由鉆機工人完成，試驗人員很少親自參與取樣，因此論文研究中對取樣擾動、不正確取樣方法帶來的影響幾乎不計。土樣的代表性如何，取土過程中如何減少擾動，運輸過程中如何避免振動，土樣取回后如何密封保存等問題一概回避，用這樣的土樣進行試驗結果可靠度難以保證。事實上，正因為土體的差異性大，研究方法不成熟，才更需要進行嚴格的試驗研究。嚴謹?shù)目茖W態(tài)度應該在平時的科研學習中逐漸培養(yǎng)起來，這需要導師嚴格要求。
(二)試驗環(huán)境
國內大多數(shù)高校的土工試驗儀器與國外相比并不遜色，甚至還要先進，但與國外土工試驗室的環(huán)境差距卻很大。許多學校沒有專門的制樣室，大都在儀器旁邊放個桌子制樣，實驗室根本無法保證恒溫、恒濕。這些不良的試驗環(huán)境嚴重影響了儀器的正常工作。據了解，很多國外土工儀器中的傳感器對溫度、濕度非常敏感，較大的溫差對傳感器來講是致命的。因此，筆者建議試驗前一定要對儀器進行標定，測試傳感器的溫敏度，尤其是從國外進口的儀器，這項工作一定不能忽略。
(三）重復性研究
眾所周知：由于土體的自身特性，試驗者進行重復試驗時無法得到完全一致的試驗結果，但這并不意味著不需要進行重復試驗。目前很多學生在試驗時，不進行重復性試驗，不考慮試驗的穩(wěn)定性。試驗的穩(wěn)定性和可重復性研究一方面可以檢查儀器硬件可能存在的問題，另一方面也可以幫助試驗者發(fā)現(xiàn)試驗方法和步驟中存在的錯誤。因此，建議每個學生進行試驗前，先做一些對比試驗，通過設定的試驗，對比試驗結果，從而確保試驗步驟、方法的正確性。
三、數(shù)值計算中存在的問題
(一)基準測試
數(shù)值計算結果錯誤的原因很多。有軟件編寫中的錯誤或缺陷;計算方法的錯誤或缺陷；軟件使用不得當;或比較特殊的如硬件問題等等。計算者有責任檢查數(shù)值是否正確，計算結果是否合適。檢查的目的是確保計算方法正確，得到的結果可靠。檢查軟件的基準測試問題在巖土工程界沒有引起足夠的重視，使用軟件前一般不進行相關測試，其后果是可怕的。德國巖土學會工作小組曾組織過程序基準測試試驗，他們邀請一些單位對兩個經常計算的問題進行計算試驗并比較計算結果。在模擬隧道施工的例子中，各單位得到的沉降預測值差異很大，襯砌處最大彎矩、發(fā)生位置和正應力值也差很多，即便將沒有按規(guī)定計算的結果除去，最大彎矩的數(shù)值和發(fā)生位置仍差距很大。在深基坑開挖的算例中，只有一半單位預測出墻體發(fā)生正的水平位移，即向坑內移動。奇怪的是，居然有結果預測出墻體發(fā)生背向坑內的負位移。可見，程序基準測試問題非常重要，作為巖土專業(yè)的研究生應該認識到這一問題，并引起高度重視。
過去用戶很少有機會修改程序，修改必須由程序設計人員完成。近來情況變復雜了，有些計算機程序銷售時就有“用戶自定義子程序”，允許用戶自行增加一些子程序，或在程序中使用一些新的本構模型。這樣傳統(tǒng)意義上的用戶也成了開發(fā)者，這種情況下不僅要求編寫子程序的人確保證子程序準確無誤，而且與程序其它部分的連接也要仔細檢查。有些子程序本身完美無誤，但會使原來正確的程序其它部分出錯，因而需要大量的檢測，尤其對復雜程序而言。用戶自定義子程序必須包含所有的錯誤控制程序，如果子程序與源程序的接口有限，問題會變得更復雜，原則上程序改動后一定要進行重新審定。但在實踐中，學生們根本沒有考慮程序接口問題，一般都不進行審定。
(二）模型理解
計算者對軟件中所用的本構模型理解不夠，也會造成很大的誤差，有時甚至得到錯誤的結論。上述德國巖土學會進行深基坑問題測試中，12家參與單位中有5家用了同樣的程序，但得出的結論卻各不相同，可見對規(guī)定說明的不同理解也會導致不同結論。
例如:修正劍橋模型中偏平面上的塑性勢函數(shù)形狀會影響平面應變計算中破壞時的應力羅德角即土體的強度會發(fā)生變化。很多商業(yè)軟件中用戶不能選擇塑性勢函數(shù)，如果用戶不知道其隱含的結果，計算結果的正確性就很難保證了。勢面，即參數(shù)M;為常數(shù)。這樣假設隱含著剪切摩擦角？隨應力羅德角變化。令M;等于得到Mj和睞示的？
式(2)中分別取?'tc=20。，25。和30°計算相應的M;值，代入（1)得到？隨0的變化情況，見圖1如果偏平面中釆用圓形塑性勢函數(shù)面，則平面應變計算中羅德角、=0°時土體破壞。由圖1可見不同Mj值時？均隨0增加而增加，若取？^二25°則平面應變條件下摩擦角？?二346°M;越大，9V和?^的差距也越大。為考慮邊界值問題中塑性勢函數(shù)的影響，以2m寬粗糙的剛性條形基礎為例進行兩次計算。修正劍橋模型參數(shù)為：OCR=67=2848入二a16U二00322卩二a2第一次計算假設偏平面上屈服函數(shù)和塑性勢函數(shù)均為圓形，取M;二Q5187相當于二23。第二次計算取9'=23°即對應偏平面上摩爾一庫侖六邊形屈服面，但塑性勢函數(shù)仍為圓形，因此與第一次計算一樣，土體還是在、二0°時破壞。兩次計算中均用土體飽和重度18k/m計算初始應力，地下水位在地面以下2.5m處，K0=1.227。假設地下水位以上土體飽和且能承受孔隙吸力。對此進行固結計算，仔細選擇滲透系數(shù)和時間步長確保滿足不排水條件，荷載施加由設定豎向位移增量實現(xiàn)。
總體上講兩次計算輸入的參數(shù)是一樣的，只不計算中Tc均等于23°，因此，三軸壓縮計算結果應該是一樣的，但由于條形基礎屬平面應變問題，結果會有不同，計算得到的荷載-沉降曲線如圖2所示。圖中給定碼得到的極限荷載比給定？'值的結果高58%。該算例清楚地說明:如果用戶不知道塑性函數(shù)或不熟悉軟件中使用的本構模型，很容易輸入？c=23°計算，若模型釆用M;計算方法，相當于？Ps=31.2°，這樣計算出的極限荷載會有較大的誤差。
(三)問題分析
計算人員對計算問題的不同理解也會導致結果
不同。固結計算中如果用膜單元或梁單元模擬結構構件會有一些弊端，如果計算者不仔細分析問題很可能進行錯誤的計算。例如:若用梁單元模擬擋墻，擋墻就與其前、后實體單元共享節(jié)點。兩側實體單元在墻上的節(jié)點相同意味著固結計算中墻體透水，即水可以自由通過墻體，這顯然不是想要的結果。若假設墻體不透水則要在兩側增設接觸面單元，如果這些單元不能固結，就可以在墻體和兩側實體單元之間起隔水作用。可見要得到正確的計算結果，計算人員必須仔細分析研究，并進行合理假設和模擬。為避免問題分析錯誤，建議研究生將計算問題的模擬簡化方法及所選參數(shù)拿出來討論，以其發(fā)現(xiàn)問題，從而避免一些根本性錯誤。
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