林 杭

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083)

巖土工程專業(yè)教育科研中創(chuàng)新習慣培養(yǎng)

林 杭

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083)

研究生教育;科研;創(chuàng)新;習慣

知識創(chuàng)新是未來社會文化的基礎和核心，創(chuàng)新型人才是決定國家和企業(yè)競爭力的關鍵因素。研究生教育肩負著為我國現(xiàn)代化建設培養(yǎng)高層次創(chuàng)造型人才的重任，因此，培養(yǎng)和提升研究生的創(chuàng)新能力是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的關鍵。

全球經(jīng)濟發(fā)展實踐表明國家的競爭力越來越體現(xiàn)在以自主創(chuàng)新為核心的科技實力上。隨著知識經(jīng)濟時代的來臨，知識創(chuàng)新將成為未來社會文化的基礎和核心，創(chuàng)新型人才將成為決定國家和企業(yè)競爭力的關鍵因素。研究生教育肩負著為我國現(xiàn)代化建設培養(yǎng)高層次創(chuàng)造型人才的重任，而創(chuàng)造型人才則是推動國家經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的中堅力量。所以，培養(yǎng)和提升研究生的創(chuàng)新能力、培養(yǎng)適應社會需求和發(fā)展的創(chuàng)新型人才應是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的關鍵所在。培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力并不是一句口號，而是一種能夠?qū)嵺`的目標，在研究生培養(yǎng)過程中需要得以足夠的重視。在這里需要明確一點，即在培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點，并用科研工作來實現(xiàn)這些創(chuàng)新點的過程中，實際上是對于研究生創(chuàng)新思維的一種訓練。比如對于一個本專業(yè)的問題需要進行研究，首先要找到研究的方向，然后，對問題進行剖析，找出可以做的新的工作，也就是創(chuàng)新點，然后，實踐這個創(chuàng)新點。這個過程是一種習慣的培養(yǎng)，所找到的創(chuàng)新點也不是一個空洞的想法，而是能夠?qū)嵺`的，因此，這種科研創(chuàng)新習慣的培養(yǎng)過程對以后的生活和科研工作有較大幫助。本文以作者在博士生研究階段的邊坡強度折減法的研究為例［1］，闡述這個科研創(chuàng)新習慣的培養(yǎng)過程。

一、弄清大方向的目的和意義

在確定自己的研究方向時，首先要弄清研究的目的和意義，這樣才能夠保證所研究工作的真實性和可實踐性，而不是自己憑空想出來的問題。以下簡述邊坡穩(wěn)定性的研究意義。

隨著我國經(jīng)濟建設的持續(xù)發(fā)展，基礎設施建設、能源開發(fā)等工程規(guī)模不斷擴大，邊坡的失穩(wěn)(滑坡)常常威脅生命財產(chǎn)安全并帶來巨大經(jīng)濟損失，如滑坡可導致交通中斷，河道堵塞，城鎮(zhèn)被掩埋，工程建設受阻等。歷史上一些規(guī)模較大的滑坡，如意大利的瓦依昂滑坡，死亡人數(shù)達幾千人;中國寧夏海源個別特大滑坡災害的傷亡人數(shù)均以萬計。另外由于滑坡堵塞河道，形成天然水庫，而這些水庫又沒有溢洪道，通常會在短期內(nèi)潰決，形成特大洪水，由此導致更大災害。

人類與滑坡災害作斗爭的努力始終沒有中斷過。這一努力表現(xiàn)在認識滑坡機理、完善邊坡穩(wěn)定分析理論和方法、開發(fā)滑坡治理技術和滑坡預報等方面。對滑坡災害認識的不斷深化是建立在地理、地質(zhì)和巖石力學、土力學等一系列科學分支的形成、發(fā)展和完善的基礎上的。而滑坡預報和治理是圍繞著確保人身安全和經(jīng)濟建設順利開展這一中心進行的。只有在諸多領域內(nèi)共同開展深入的研究，人類才有可能在防治滑坡方面取得重大進展。邊坡穩(wěn)定性分析是判斷邊坡是否穩(wěn)定、是否需要加固及采取何種防護措施的主要依據(jù)，它是邊坡工程中最基本最重要的問題，也是邊坡工程設計與施工中最難和最迫切需要解決的問題之一。但是由于邊坡地形地質(zhì)條件復雜、巖土體力學性質(zhì)不確定和周邊環(huán)境模糊多變等因素影響，要想準確地判斷邊坡的穩(wěn)定性實非易事。因此，如何合理地分析邊坡穩(wěn)定性，是一項具有重要理論和實踐應用價值的研究工作。

二、所選擇研究目標的基本概念

往往一個大的研究方向有很多研究的小方向，如對于邊坡穩(wěn)定性的研究，包括了對于安全系數(shù)和滑動面的研究，而安全系數(shù)的研究又可采用極限平衡法，也可采用強度折減數(shù)值分析方法;而滑動面的研究包括了:滑動面搜索算法的研究、滑動面形狀的假設等等。本文以邊坡安全系數(shù)的強度折減數(shù)值分析方法為例，首先需要明確強度折減法的概念和計算原理。

一般認為，邊坡體的破壞現(xiàn)象是指巖土體沿滑裂面發(fā)生快速滑落或坍塌的現(xiàn)象，其屬于破壞力學范疇。當滑面上每點都達到極限應力狀態(tài)時，滑坡體進入破壞，這就是破壞力學中的破壞準則，如巖土材料中采用的Mohr-Coulomb破壞準則，當前滑坡工程計算中，經(jīng)典極限平衡理論中常以此為破壞條件。如果滑面上的力不以每點的應力表示，而以內(nèi)力表示，那么當滑面上總的下滑力大于或等于抗滑力時，滑面就發(fā)生破壞。由此可見，破壞時整個滑面上都達到力的極限平衡狀態(tài)，此時滑面上每點的巖土強度也都得到充分發(fā)揮。各點的強度主要是指材料抵抗剪切的能力，對其進行分析是邊坡穩(wěn)定性分析的理論基礎。

對于不同的工程要求，設計人員采用不同的安全系數(shù)定義形式，目前采用的安全系數(shù)主要有三種［2］:一是基于強度儲備的安全系數(shù)，即通過降低巖土體強度來體現(xiàn)安全系數(shù);二是超載儲備安全系數(shù)，即通過增大荷載來體現(xiàn)安全系數(shù);三是下滑力超載儲備安全系數(shù)，即通過增大下滑力但不增大抗滑力來計算滑坡推力設計值。

(一)強度儲備安全系數(shù)Fs1

1952年，Bishop提出了著名的適用于圓弧滑動面的“簡化Bishop法”。在這一方法中，邊坡沿著某一滑裂面滑動的安全系數(shù)Fs1定義為，將土的抗剪強度指標降低Fs1倍(c0/Fs1和tanφ0/Fs1)后，則巖土體沿著此滑裂面處處處于極限平衡狀態(tài)，即，

式中，τ，σ為滑動面上的剪應力和正應力;ccr=c0/Fs1;tanφcr=tanφ0/Fs1;c0，φ0為邊坡原始狀態(tài)下的粘結力和內(nèi)摩擦角;ccr，φcr為邊坡臨界平衡狀態(tài)下的粘結力和內(nèi)摩擦角。

上述將強度指標的儲備作為安全系數(shù)定義的方法有明確的物理意義，安全系數(shù)的定義根據(jù)滑動面的抗滑力(矩)與下滑力(矩)之比得到，該定義經(jīng)過多年來的實踐被國際工程界廣泛承認，這種安全系數(shù)只是降低抗滑力，而不改變下滑力。同時，用強度儲備安全系數(shù)定義也比較符合工程實際情況，許多邊(滑)坡的發(fā)生常常是由于外界因素引起巖土體強度降低而導致巖土體滑坡。

(二)強度折減法的概念與原理

強度折減法將安全系數(shù)定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對其強度參數(shù)進行折減的程度。若邊坡采用Mohr-Coulomb準則描述，影響其穩(wěn)定性的強度參數(shù)是粘結力c和內(nèi)摩擦角φ，將坡體原始粘結力c0和內(nèi)摩擦角φ0同時除以一折減系數(shù)K，然后進行數(shù)值分析。通過不斷增大K，反復分析直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)。假設此時粘結力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr，由于邊坡處于臨界狀態(tài)，所對應的安全系數(shù)Kcr=1，可得原始邊坡對應的安全系數(shù)為:

由強度折減法的基本原理可見，其對安全系數(shù)的定義類似強度儲備安全系數(shù)的定義方式，但也存在不同:強度折減法是對整個邊坡巖土體的折減，而Bishop法只是對滑動面上的巖土參數(shù)進行折減。強度折減法認為邊坡達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時，對應的折減系數(shù)為安全系數(shù)，對應的臨界滑動面為邊坡的真實滑動面，其無須事先假定滑動面位置;Bishop法須事先假定滑動面，通過不斷搜索，找到最小安全系數(shù)對應的滑動面，從而得到邊坡的安全系數(shù)和真實滑動面。從這一點看，強度折減法優(yōu)于極限平衡法。但兩者計算得到的滑動面和安全系數(shù)應是相同的，這是因為Bishop法計算得到的最危險滑動面為邊坡原始狀態(tài)的潛在滑面，此面是所有滑面中抗滑能力最小的;而當整個邊坡的參數(shù)同時折減的時候，潛在滑面的抗滑能力在整個邊坡中仍是最小的，因此，兩種方法得到的滑動面是相同的。

三、國內(nèi)外文獻的閱讀及創(chuàng)新點的發(fā)現(xiàn)

在弄清了強度折減法的概念和原理后，我們會有一些自己的想法和一些疑問，如公式(2)傳達給我們的信息包括了:粘結力和內(nèi)摩擦角對于邊坡安全系數(shù)的影響是一致的，但實際上是不是一致的?對于Mohr-Coulomb準則中，強度參數(shù)是粘結力和內(nèi)摩擦角，而在其他準則中，強度參數(shù)不是這些，那強度折減法是怎么實施的?強度折減的定義說明，需要對邊坡進行折減直到邊坡達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)，那什么時候才是邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)，有沒有統(tǒng)一的判別標準?等等。有了這些疑問后，我們就會想辦法去尋找答案，而這也正是創(chuàng)新點尋找的一個有效方法，帶著問題興趣去發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新?？墒?，也許這些想法在之前有學者進行了研究，并且把這些問題解決了，因此，為了弄清自己的這些想法是否是可以實踐的創(chuàng)新點，我們還需要進行查新，也就是對于大量文獻的閱讀，以尋找材料的支撐。以下是對于強度折減法的一些文獻綜述和分析。

(一)強度折減法計算安全系數(shù)的文獻綜述

1975年，Zienkiewicz等在研究土力學中的相關性流動法則與非相關性流動法則的文章中［3］，在算例部分里用有限元法分析了一個均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。他們把粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ正切值同時除以一強度折減系數(shù)SRF，使邊坡剛好達到破壞狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)此時的強度折減系數(shù)與極限平衡法計算的安全系數(shù)非常接近。Zienkiewicz等計算邊坡安全系數(shù)的原理與極限平衡法相同，均采用對邊坡材料強度進行同比折減，使滑動面上點達到Mohr-Coulomb破壞準則。但是，兩種方法主要的區(qū)別是，極限平衡法采用條分法進行受力分析，而Zienkiewicz等則采用力學分析能力較強的有限元法進行受力分析，使受力分析結果更為準確，進而可獲得更準確的邊坡穩(wěn)定性分析結果。由于受當時計算機運算能力的限制，計算量很大的有限元法難以得到廣泛應用，因此在隨著的十多年中，該基于有限元法的邊坡穩(wěn)定性分析方法沒有引起很大的關注。

1992 年，Matsui等［4］采用 Zienkiewicz等的方法分析多個邊坡的穩(wěn)定性，并把該方法正式命名為“強度折減技術(Shear strength reduction technique)"。他們從物理意義出發(fā)，討論了臨界強度折減系數(shù)與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法的安全系數(shù)的關系。因此，從一定意義上講，Matsui等極大推動了強度折減的有限元邊坡穩(wěn)定分析方法的發(fā)展。從而引發(fā)一系列相關研究，如 Duncan［5］等，Griffiths 等［6］詳細論述了如何把強度折減技術與理想彈塑性(Mohr-Coulomb)有限單元法相結合分析邊坡的穩(wěn)定性，并從多角度對不同邊坡進行了細致分析，其中包括均質(zhì)土坡、含薄軟夾層的邊坡、不同軟硬程度地基上的邊坡、不同水位高度的邊坡和雙側(cè)穩(wěn)定分析的堤壩。通過大量算例分析及與極限平衡法結果比較，說明有限元強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的有效性。Han［7］對比了采用極限平衡法和強度折減法分析了邊坡在不同工況下安全系數(shù)和滑動面的情況，得到兩者之間的滑動面存在一定差別，但安全系數(shù)的差別很小;Dawson等［8］將強度折減法得到的結果與上限極限分析方法的結果進行對比，表明強度折減法得到的結果略大于極限方法得到的結果，并探討了關聯(lián)和非關聯(lián)流動法則情況下的強度折減法。

近幾年，我國學者也對有限元強度折減法進行了研究，較早的有宋二祥［9］定義了土工結構安全系數(shù)為其極限承載力與所需承載力之比，給出了按此定義計算土工結構安全系數(shù)的有限元法。在計算中討論了弧長控制法的應用。作為算例，首先計算了一座土壩的安全系數(shù)，并與Bishop方法的計算結果相比較，二者相當吻合。此外，還計算了用土工織物加強路基的安全系數(shù)，進一步說明了此法的可靠性及適用性。連鎮(zhèn)營等［10］用強度折減有限元方法對開挖邊坡的穩(wěn)定性進行了較為全面的研究。分析結果表明:當折減系數(shù)達到某一數(shù)值時，邊坡內(nèi)一定幅值的廣義剪應變自坡底向坡頂貫通，認為邊坡破壞，定義此前的折減系數(shù)為安全系數(shù);和強度指標相比，彈性模量、泊松比、剪脹角和側(cè)壓力系數(shù)對邊坡的安全系數(shù)影響不大;開挖邊坡和天然邊坡具有相似的破壞形式，表明強度折減有限元方法適用于開挖邊坡的穩(wěn)定性分析;最后指出，強度折減有限元法具有廣泛的適用性和良好的應用前景。鄭宏［11］分析了目前在利用彈塑性有限元法求解安全系數(shù)時所存在的一些問題，指出在對強度參數(shù)折扣的同時，必需滿足φ和μ(泊松比)不等式:sinφ1－2μ，才能使所求得的安全系數(shù)接近于經(jīng)典的極限平衡法;隨后，趙尚毅等、鄭穎人等的工作［12-22］掀起了國內(nèi)強度折減法研究的熱潮，使該方法成為當前研究的熱點，他們首先進行了該法基本理論和提高計算精度的研究，隨著計算精度的提高，這種方法受到國內(nèi)巖土工程界和設計部門的廣泛關注。一方面擴大了有限元極限分析法的應用范圍，另一方面也開始被一些工程設計部門實際采用。然后，探討了有限元法中安全系數(shù)的定義，以及有限元法的優(yōu)越性;同時，將該方法的應用范圍大為擴大，從均質(zhì)的土坡、土基擴大到具有結構面的巖坡與巖基;從二維擴大到三維;還擴展到尋找邊(滑)坡中多個潛在滑面;進行巖土與結構共同作用的支擋結構設計;他們利用有限元強度折減法對幾種常用的屈服準則進行了比較，導出了各種準則互相代換的關系，并采用莫爾一庫侖等面積圓屈服準則代替莫爾一庫侖準則，通過算例表明由此求得的邊坡安全系數(shù)與傳統(tǒng)方法的計算結果十分接近。

目前，強度折減法計算邊坡安全系數(shù)方面的研究，雖然取得了不少成果，但還遠未達到完善的程度。如(1)眾多學者在應用強度折減法研究邊坡穩(wěn)定時，通過算例采用強度折減法和極限平衡法計算邊坡的安全系數(shù)和潛在滑動面時，存在一些差別，但是影響這些差別的原因，以及他們之間的關系尚不明確;(2)較少從微觀角度分析邊坡失穩(wěn)本質(zhì)，探討粘結力和內(nèi)摩擦角對穩(wěn)定性的影響程度，哪個參數(shù)先發(fā)揮作用，或者哪個參數(shù)對穩(wěn)定性的貢獻較大亦不清楚;(3)如何從數(shù)值計算結果判斷邊坡進入臨界失穩(wěn)狀態(tài)，目前主要有塑性區(qū)貫通判據(jù)，計算不收斂判據(jù)和位移特征判據(jù)，但三種判據(jù)得到的安全系數(shù)是否一致，哪種判據(jù)的精度最高、實施過程最為簡便合理尚不明確，從而導致至今仍未形成統(tǒng)一的失穩(wěn)判據(jù);(4)如何利用強度折減法的結果直接確定邊坡的臨界滑動面，以及相應影響因素有哪些，亦尚不明確;(5)強度折減法主要應用于Mohr-Coulomb準則，但對于不同類型的邊坡，Mohr-Coulomb準則并不完全適用，有必要采用其他非線性準則描述邊坡的穩(wěn)定性響應，因此，將強度折減法與這些準則相結合顯得十分有意義。

通過這些分析就得到了上述的可以轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新點的問題。

(二)強度折減法確定邊坡滑動面的文獻綜述

確定臨界滑動面位置是邊坡穩(wěn)定分析的重要內(nèi)容。一般的邊坡穩(wěn)定分析要求分析者計算前輸入滑動面的位置，這對分析者的理論水平和工程經(jīng)驗提出了較高的要求。但對比較復雜的邊坡，即使是經(jīng)驗豐富的分析者也難以預先準確指定臨界滑動面的所在位置。因此，從20世紀70年代后期開始，很多學者致力于臨界滑動面自動搜索技術的研究，提出了多種確定邊坡圓弧或非圓弧臨界滑動面的優(yōu)化搜索方法。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)值分析方法逐漸被運用于邊坡穩(wěn)定性分析。一般可將數(shù)值方法分成兩種:強度折減法和與優(yōu)化搜索法結合的分析方法。其中，第二種方法將數(shù)值計算與臨界滑動面搜索相結合，通過優(yōu)化理論指定一系列線段和圓弧的組合作為可能的滑移路徑，根據(jù)數(shù)值計算得到的應力分布從中搜索出安全系數(shù)最小的滑移路徑作為潛在滑面。如Kim［23］根據(jù)有限元法計算的應力場，通過一改進搜索策略尋找邊坡的臨界滑動面。Zou［24］，Yamagami［25］分別把有限元法與改進動態(tài)規(guī)劃法和動態(tài)規(guī)劃法相結合，對多個邊坡進行穩(wěn)定性分析。這些方法需要在計算的基礎上再采用其他優(yōu)化理論，只是間接使用了數(shù)值計算的結果，但若能直接將數(shù)值方法得到的應力或者位移應用于滑動面確定上，則可略去優(yōu)化方法的使用，使數(shù)值方法更為簡便。

四、創(chuàng)新點的實現(xiàn)

針對以上對于強度折減法概念和原理的分析，以及對相應參考文獻的綜述與分析，從而得到了相應的創(chuàng)新點，而接下來所需要做的，就在針對這些創(chuàng)新點，進行研究，將所提煉的創(chuàng)新點一個一個實現(xiàn)出來，針對強度折減法，則可進行如下工作。

1．在實際邊坡發(fā)生滑動時，并不是粘結力和摩擦力絕對一方充分發(fā)揮后，才由另一方發(fā)揮作用?；瑒用嫔夏Σ亮εc粘結力可能同時發(fā)揮作用，只是他們發(fā)揮程度不同而已，因此，可分析在不同坡角情況下，粘結力和內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的影響程度，從巖土體微觀抗剪機理闡述了邊坡穩(wěn)定性的影響因素，這部分內(nèi)容作者在文獻［26］中得以實現(xiàn)。

2．對同一算例分別實施三種判據(jù):塑性區(qū)貫通判據(jù);計算不收斂判據(jù);位移突變判據(jù)。采用拉格朗日元法對邊坡進行彈塑性穩(wěn)定分析，將三種判據(jù)得到的安全系數(shù)與Janbu法的結果進行對比，討論各種判據(jù)的合理性及實用性，這部分內(nèi)容作者在文獻［27，28］中得以實現(xiàn)。

3．采用強度折減法的計算結果直接確定邊坡滑動面，并分析穩(wěn)定性影響因素，這部分內(nèi)容作者在文獻［29］中得以實現(xiàn)。

4．為了在Hoek-Brown準則中實施強度折減法，并使其得到的結果與Mohr-Coulomb準則中強度折減法得到的結果等效;通過理論推導確定Hoek-Brown準則參數(shù)與Mohr-Coulomb準則參數(shù)之間的關系;然后，進一步得到在Hoek-Brown準則中強度折減法的實施方法。這部分內(nèi)容作者在文獻［30-32］中得以實現(xiàn)。

當然，在強度折減法上還有很多可以研究的內(nèi)容，如邊坡破壞的微觀機理研究，非線性準則下邊坡滑動面的變化情況，等等。這些都將是作者繼續(xù)進行的研究工作。

從作者的研究過程，可以看出，創(chuàng)新點的發(fā)現(xiàn)，首先是要把握一個大的方向，然后，對基本概念和原理十分了解，從而出發(fā)，逐漸探索發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點的過程。

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［28］ 林杭，曹平，宮鳳強．位移突變判據(jù)中監(jiān)測點的位置和位移方式分析［J］．巖土工程學報，2007，29(9):1433-1438．

［29］ LIN Hang，CAO Ping，GONG Feng-qiang，et al．Directly searching method for slip plane and its influential factors based on critical state of slope ［J］．Journal ofCentral South University，2009，16(1):131-135．

［30］ 林杭，曹平，趙延林，等．強度折減法在Hoek-Brown準則中的應用［J］．中南大學學報，2007，38(6):1219-1224．

［31］ 林杭，曹平，李江騰，等．基于廣義Hoek-Brown準則的邊坡安全系數(shù)間接解法［J］．煤炭學報，2008，33(10):1147-1151．

［32］ 林杭，曹平，李江騰，等．基于Hoek-Brown準則的三維邊坡變形穩(wěn)定性分析［J］．巖土力學，2010，31(11):3656-3660．

Innovation Habit Cultivation in the Educationand Scientific Research of Geotechnical Engineering Major

LIN Hang
(School of Resources ＆ Safety Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

postgraduate education;scientific research;innovation;habit

Knowledge innovation is the foundation and the core in the future of social culture，innovation talents is decided to be the key factors in the competitiveness of national and enterprise．Postgraduate education shoulders for the modernization of our country and training high-level creative talents，therefore，cultivate and enhance the innovative ability of graduate students is the key problem to improve the cultivation quality of graduate students．Training graduate students＇innovation ability is not a slogan，but a practice target．Innovative research of graduate students cultivation process is to establish a habit of innovation，the paper takes the author’s doctoral study on the slope strength reduction method as example，to elaborate the cultivation process of the scientific research innovation habit．

G642．0

A

2095-2708(2012)04-0044-05

2012-05-03