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                           第149期:大地工程程式應用介紹
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地工數值模擬分析之簡介~回顧與展望....................................................more
應用TORSA程式探討扶壁之配置............................................................more 
一維非線性地盤反應分析程式-DEEPSOIL..............................................more
二維分析程式在深開挖工程應用之探討~PLAXIS程式為例............more
以三維數值方法評估潛盾隧道穿越既有結構物下方之影響................more

運用MIDAS-GTS三維有限元素分析評估平面滑動邊坡穩定.........more

三維GIS技術於大地及地質工程之應用.................................................more

CAD於大地工程設計實務之應用.............................................................more

樁基礎波動頻率方程式...............................................................................more

專欄~技術短文……深開挖工程窄巷效應之土壓力推導..................more

專欄~地工小百科復發帶的概念..................................................more

專欄~薪傳賴典章顧問................................................................more

專欄~與會報導2016海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討....more




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編者的話~賴建名
      「天若有情天亦老、地若有義仍滄桑」, 看來天地即使有情義,世間萬物終將面對的仍是無常。
       在我們所熱愛的這片無常土地上,每年總有地震、颱風及暴雨這些外來的朋友固定造訪。又為了在有限的區域裡,發展便捷的交通,改善居住的環境,所以必須面對高水壓、複雜土層及敏感結構(如高鐵、地鐵、捷運等營運設施)這些老朋友,外來的朋友不能怠慢,老朋友亦須戒慎面對,在這樣的條件下,我們仍然須進行各項地工研究以及地下工程開發。所以我們需要找到一套方法,面對這隨時變化的大千世界。
      尋尋覓覓的我們,深知對於天地的變化僅能敬畏。避不開天然災害的我們,僅能想辦法以經驗或工具先行預測及辨識風險、並擬定各項對策降低風險,所以當VR+BIM已經逐漸成為建設主流的今天,地工界的解藥仍然丟不開經驗和具有實戰的輔助工具(程式)....繼續閱讀
  
贈言:學而時習之~謝旭昇
      賓士車一向給人豪華厚實的感覺,但流線輕巧的賓士我們則暱稱為Baby Mercedes。有限元素程式也是如此,航太工業使用之有限元素似乎無所不能(印象中可以模擬擠牙膏),但土木工程所使用者則被機械工程系的大教授笑稱為Baby Finite Element(小兒科有限元素是也)。儘管不是很服氣,但數值分析的確很難,到現在我還是在五里霧中。我粗淺的認知(很有可能是錯誤的認知),數值分析是解偏微分方程式的一種工具,而世間的一切現象都可以用偏微分方程式描述(如果寫得出相對應之偏微分方程式),所以解得出偏微分方程式就可以預測或解決很多難題。舉例而言,電影「蜘蛛人-驚奇再起」(The amazing Spiderman)裡面男主角解出了一個偏微分方程式,所以發展出肢體再生的藥物。另一個電影「星際效應(Interstellar)」中,男主角的女兒也解出了一個有關重力波的偏微分方程式,所以她拯救了地球。電影的虛幻回歸虛幻的電影,大地工程的實際其實也相去不遠,以數值方法解偏微分方程式可以計算開挖變位、壓密沉陷、土壤液化等等諸多超出手算範圍的實務問題,所以數值分析也是大地工程領域之重要工具,真實不虛。
      有限元素分析僅是數值分析之一脈,但也可能是使用最廣的一脈。再次依我可能是錯誤的認知,要貫通大地工程有限元素分析的任督二脈,至少需要精通嫻熟四個領域;第一項領域是有限元素的組構(Finite element formulation,但不知formulation一字翻成組構是否貼切?),大概就是有限元素法的基本理論架構吧。此部分數學含量太高,實非我所長,只依稀記得幾個頭痛的名詞,例如Weak formulation, Galerkin method, Reduced and selective integration, Patch test等等,都是當年不自量力修習機械系有限元素課程所拾得之牙慧。第二項領域是土壤的應力應變模式或所謂的組成律(Constitutive law),這也是充滿了數學式的世界。由1970年代Kondner所提出最簡單的雙曲線模式(Hyperbolic model),到1960年代Schofield and Wroth所發表理論架構非常完美的臨界土壤模式(Critical state soil mechanics),再加上Bounding surface、Cap model及Associative or Non-associative flow rule等需要豐富想像力的理論,土壤應力應變模式已經複雜到工程師難以理解的程度。即便如此,我認為複雜的應力應變模式還是比艱澀的有限元素組構友善多了。第三項領域是數值分析程式的操作能力。自1970及80年代大量使用之SOIL-STRUCT以降,現今大地工程界常用之數值分析程式(包括PLAXIS, FLAC, ABAQUS, MIDAS等)都寫得非常好,該有的分析功能一應俱全,內建之土壤模式綽綽有餘,但這並不表示人人皆有操作程式的能力。私下以為,程式的使用需要經歷訓練、磨練、鍛鍊及淬煉四個階段。前兩階段恰似陸戰隊龍泉新兵訓練中心的標語:「合理的要求是訓練,不合理的要求是磨練」,通過訓練及磨練兩階段之工程師恰似戰技超群之陸戰隊,而能進階鍛鍊與淬煉之工程師差堪比擬通過天堂路考驗之兩棲偵搜營。也曾有同門師兄僅靠著勉強練成之程式操作能力(一個艱澀的程式,程式的輸入參數非但不知其然,也不知其所以然),即通過著名顧問公司之面試,於經濟凋敝之年代取得人人稱羨之職位。第四項領域則是工程判斷,也就是Engineering judgment,至少這是大地工程師所最嫻熟的一個項目,有此能力方能判斷數值分析之結果是否合理。判斷的能力是靠年歲及經驗累積的,無法Google,我想這也是資深工程師剩下的唯一的優勢。可是資深工程師都不免倚老賣老,看到不盡合理之數值分析結果,總想伸手去manipulate (約略可翻譯為「喬一下」)數值分析的輸入檔,這或許可以歸類為數值分析領域諸多numerical crimes中的一種。我承認數值分析的結果需要依工程經驗做必要的調整,可是著手調整之前最好對前三項領域之基本功略作鑽研,否則所犯之numerical crime不免會有班班斧鑿痕。此刻忽然憶及多年前曾見一學術界數值分析之絕頂高手,前三項領域之功力已臻不可思議之化境,唯獨缺工程經驗(四象但缺其一,此事古難全)。此高人以最上乘之有限元素程式對波士頓郵局之深開挖工程進行Type I prediction(也就是完全沒有監測資料可以進行反推分析以修正輸入參數,乃是一翻兩瞪眼的分析),分析過程堪稱絕美,幾無可垢病之處,只可惜分析所得之壁體變形量與後續量得之觀測值差了400%。此高手亦做事後諸葛之論,發現僅需略為調整輸入之Poisson’s ratio,即可得到壁體變形之perfect match。反躬自省,若有人相邀做類似分析,我輩資深工程師當會反其道而行,心中先有答案,再設法於理論容許範圍內補足分析過程。或許過程中會稍微夾有一些無傷大雅的numerical crimes,但可以得到雖不中亦不遠矣的結果,此在在證明工程判斷之重要性。
      庸人俗夫不免嚴以待人寬以容己,至於我自己數值分析的功力呢?機械系的有限元素課程拿了相當於乙下的B-;Schofield and Wroth 的Critical State Soil Mechanics只唸了半冊就無以為繼(但望有數年餘暇,將下半冊唸完);也從沒有自行建過分析網格;偶爾倚老賣老倒是常常出錯,完全沒有所謂數值分析的名家的風範。結論就是敝人乃標準的眼高手低,呵呵。
      喔,忘了一提地工技術基金會所推出的深開挖分析TORSA程式。TORSA毋庸置疑也是數值分析程式,分為高手使用之實用版(TORSA2)及絕頂高手使用之進階版(TORSA3),但即使是絕頂高手使用之進階版,仍然屬於最低階的有限元素程式,比Baby FEM尚低一級,堪稱Infant FEM是也。程式撰寫者窮數十載之功力,拿掉了繁複的FEM formulation、簡化了土壤模式、掛上了視窗介面、隱含了工程經驗,終有如是務實之作。可惜TORSA終究僅是分析工具,並無fool proof的功能,使用者仍須對前三項領域(FEM formulation、土壤模式及分析模式之建立)有基本認識,再配合嚴謹之工程判斷始能發揮TORSA之功能於極致。
      棄我去者,昨日之日不可留。亂我心者,數值分析多煩憂。樂見地工界已逐步體認數值分析的重要,且喜諸多學界及實務界之青年俊彥亦先後投身數值分析之領域,但望諸俊彥皆能百尺竿頭更進一步,再領風騷,復執國際地工界數值分析之牛耳數十載。再囉嗦一下,重點是「國際」,執國內數值分析之牛耳尚不足一哂,必須如歐章煜教授一般有國際級的份量及知名度,後起之秀或可誌之。
 




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