岩体力学数值计算方法及新进展简介
隧道力学第5讲岩体力学方法和计算
co kv ,h 0 2
(kh) (kh)
(4)
各测点的现场量测值σk为ｎ个独立观测值，σ为ｎ个观测值的总
体。由各基本因素△, Fx，Fy ……所得的基本初始应力 k, Fxk,
Fky,…为方程（2）的自变量。根据各实测点提供的ｎ组实测值，以
及由数值方法计算的“数字观测值”给出的各回归系数估计值b1， b2，…，可以算出误差估计值ek和残差平方和Ｑ：
进行离散。几何形状和材料特性方面都具有对称性 时，可利用该对称性取部分计算范围进行剖分。
第5讲 岩体力学方法—数值法
1、计算范围的确定和离散方法 （4）应注意的几个问题（remarks）
5）洞室边缘两侧的对应单元，其大小形状尽量一致。 6)洞室边缘及附近单元的布置应考虑设置锚杆的方向及
深度，以便施加锚固力。 7)洞室内单元的划分要考虑到分部开挖的分界线和部分
第5讲 岩体力学方法—数值法
1、计算范围的确定和离散方法 （1）计算范围
考虑工程的需要和有限元离散误差以及计算误差，一般 选计算范围沿洞径各方向均不小于３～４倍洞径为好。但计算 实践表明，对非圆形洞室或各向异性岩体材料中开挖的洞室， 则计算范围应适当扩大或取上限尺寸。如果只考虑自重应力场， 则可借助于无限域单元，免去计算范围选取的麻烦，但是无限 元和有限元的交接位置的确定仍要考虑上述原则，只是范围可 略小一些或取下限。
开挖区域的分界线。 8）计算范围内的单元划分还要考虑到地下水位的变化分
界面。
第5讲 岩体力学方法—数值法
2、边界条件 计算范围的外边界可采取两种方式处理；其一
为位移边界条件，即一般假定边界点位移为零（也 有假定为弹性支座或给定位移的，但地下工程分析 中很少用）。其二是假定为力边界条件，包括自由 边界(P=０)条件。还可以给定混合边界条件，即 节点的一个自由度给定位移，另一个自由度给定节 点力（二维问题）。当然无论哪种处理都有一定的 误差，且随计算范围的减小而增大，靠近边界处误 差最大，这叫做“边界效应”。在动力分析中影响 更为显著，需妥善处理。
岩土工程：数值分析在岩体力学中的应用和发展.doc
岩土工程：数值分析在岩体力学中的应用和发展（一）数值分析方法的分类在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中，主要使用的方法为有限元法，边界单元，离散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等（二）有限元法原理及其应用要点原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区插值的离散化处理把基本支配方程转化为线性代数方程，把待解域内的连续函数转化为求解有限个离散点（节点）处的场函数值。
应用要点：1.正确划分计算范围与边界条件2.正确输入岩体参数及初始地应力场3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边界效应（三）岩石力学问题的其他数值分析方法1.边界单元法有限元法是对问题的微分近似表达式给出了精确解，它实质上属于微分法。
与微分法相对应的是积分法，积分法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近似。
下图表示了在外部问题模拟时微分法与积分法之间的区别。
2.离散单元法离散单元法完全强调岩体的非连续性。
它认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块体保持平衡。
岩体被表面或内部开挖以后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。
反复逐个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的累计位移。
3.块体理论块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体。
此外，在计算方法上，还有半解析法、加权残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法的耦合应用。
岩土工程数值计算方法
岩土工程数值计算方法报告学院：土木与环境工程学院姓名：xxxxxx学号：xxxxxxxx三维有限差分稳定性分析一、FLAC3D基本原理FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国Itasca 咨询公司研究开发的显式有限差分程序，可用于工程力学计算，模拟岩石、土等材料的力学行为。
由于其采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，使得该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏和塑性流动，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。
材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构成相应的网格。
每个单元在外载和边界约束条件下，按照给出的本构关系产生力学响应。
FLAC 软件主要是为岩土工程稳定性分析开发的岩石力学计算程序，它包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能，能够计算地质类材料的高度非线性(包括应变硬化/软化)、不可逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变)、空隙介质的应力—渗流耦合及动力学行为等。
FLAC 提供了多种材料本构模型：各向同性弹性模型、横观各向同性弹性模型、摩尔-库仑塑性模型、应变硬化/软化塑性模型、德鲁克-普拉格塑性模型、遍布节理模型、双屈服塑性模型、霍克-布朗模型、空单元模型等。
另外，程序设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭和行为。
支护结构，如砌衬、锚杆、支架等与围岩的相互作用也可以在FLAC 中进行模拟。
同时，用户可根据自己的需要在FLAC 中创建自己的本构模型，进行各种特殊修正和补充。
FLAC 采用显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和跨落，这对研究开采的时间效应和空间效应是非常重要的。
此外，程序允许输入多种材料类型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程序使用的灵活性，用来提供采动区域的跨落过程和开采中的充填过程。
FLAC 具有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制图形，或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。
岩体工程力学参数钻孔原位测试新方法-概述说明以及解释
岩体工程力学参数钻孔原位测试新方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述岩体工程力学参数的测试是岩石工程领域中的重要工作，传统的测试方法存在一些局限性，如测试过程中可能会破坏岩体结构，导致测试结果不够准确。
针对这些问题，本文介绍了一种新的岩体工程力学参数测试方法，即钻孔原位测试方法。
该方法通过在岩体内部进行原位测试，不仅可以避免对岩体结构的破坏，还可以获得更准确的测试结果。
本文将详细介绍这一新方法的原理及其应用，并探讨其在岩体工程中的潜在优势和可能存在的局限性，最后展望了该方法的未来发展方向。
通过本文的介绍，读者将能够更全面地了解岩体工程力学参数测试的新方法，并认识到其在岩石工程领域中的重要意义和应用前景。
1.2 文章结构文章结构部分应该包括对整篇文章的结构安排和各个部分内容的简要描述。
具体可写为：文章结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了本文的研究背景和意义，以及新方法的应用前景。
正文部分将介绍传统岩体工程力学参数测试方法和新方法的原理及优势，并探讨新方法在岩体工程中的实际应用情况。
结论部分将总结新方法的优势和可能存在的局限性，以及展望未来可能的研究方向和应用前景。
通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解本文的研究内容和逻辑结构。
1.3 目的：本文的目的在于介绍一种新的岩体工程力学参数钻孔原位测试方法，通过对该方法的介绍和分析，探讨其在岩体工程中的应用前景和优势。
同时，也对可能存在的局限性进行了探讨，为该方法的进一步改进和完善提供参考。
最终目的是为了推动岩体工程领域的技术创新和发展，提高岩体工程力学参数测试的准确性和可靠性，为工程实践提供更科学、更可靠的技术支持。
2.正文2.1 传统岩体工程力学参数测试方法岩体工程力学参数的测试一直是岩土工程领域中的重要研究内容，传统的岩体工程力学参数测试方法主要包括室内试验和野外测试两种。
室内试验主要包括岩石样品的采集、制备和力学性能测试。
采集岩石样品后，需要经过标准化的制备工艺，制作成符合标准要求的试样，然后进行拉伸、压缩、剪切等力学性能测试，从而得到岩石的强度、变形模量、泊松比等力学参数。
岩体力学参数数据处理基本方法.
岩体力学参数数据处理基本方法目录第一章引言………………………………………………………………………[5 ]1.1 岩体力学参数取值研究的意义 (5)1.2 岩体力学参数取值国内外研究现状分析 (6)第二章岩体力学参数取值方法 (9)2.1 岩体力学参数取值方法简介 (9)2.2 根据试验资料来确定岩体力学参数 (9)第三章岩体力学参数确定方法的研究 (12)3.1 引言 (12)3.2 工程岩体的连续性模型 (12)3.3 工程岩体力学参数的实验方法 (14)3.4 模拟试验结果分析 (14)第四章岩体力学参数确定方法 (18)4.1 传统岩体力学参数方法 (18)4.1.1 地基基础工程 (18)4.1.2 边坡与基坑工程 (18)4.1.3 地下洞室工程 (18)4.2 不同受力特性的岩体工程 (19)4.2.1地基基础工程 (19)4.2.2边坡与基坑工程 (19)4.2.3地下洞室工程 (19)4.3 三种不同工况下的岩体力学参数确定方法 (20)4.3.1地基基础工程 (20)4.3.2边坡与基坑工程 (21)4.3.3地下洞室工程 (22)4.4 建立力学模型确定岩体力学参数 (23)4.4.1 工程岩体力学参数模型 (23)4.4.2 工程岩体力学参数 (23)4.5分析节理用数值方法确定岩体力学参数 (24)4.5.1 节理岩体的强度 (24)4.5.2 岩体的变形特性 (24)第五章岩石力学参数数据库系统的构建研究 (26)5.1 岩石力学参数数据库建立的目的和意义 (26)5.2 岩石力学参数数据库的数据结构 (26)5.2.1 引言 (26)5.2.2 Access软件介绍 (27)5.2.3 岩石力学参数数据库的数据结构 (28)5.3 岩石力学参数数据库系统的框架 (29)5.3.1 系统的功能 (29)5.3.2岩石力学参数数据库系统的框架 (30)5.4 详述Access的查询方法 (33)5.4.1 用向导创建查询 (33)5.4.2 用设计视图创建查询 (34)5.4.3 创建操作查询 (35)5.4.4 SQL查询 (35)第六章总结 (36)致谢 (37)参考文献 (38)第一章引言1.1岩体力学参数取值研究的意义水电站的主题为大坝、厂房和洞室，对一些失事的或运行不良的水电站研究表明，其安全性与可靠性主要不是建筑本身，而是地基承载力和与建筑物变形相容能力。
第九章岩石力学数值模拟分析
要实现了解岩体结构的破坏特征及动态破坏过程的 目的，则只能采用离散单元法、非连续变形法或流形元 法，因为这些方法就是针对岩体介质的非连续性而提出 的。
此外，对于一个具体问题，是进行平面分析或是进 行三维分析，也需做出恰当选择。严格地讲，所有的问 题都是三维的，但如果采用平面分析既能达到目的，计 算结果误差也不大，为了降低费用和快速方便起见，则 以采用平面分析为宜。反之，则应采用三维程序代码进 行计算分析。
第九章岩石力学数值模拟分析
发展方向
采用可以达到完全并行的EBE策略，可以完全突破大规模计算对串行计算 机的内存和计算速度的限制。理论上而言，只要参与计算的节点足够多， 就可以对任意规模的数值计算问题进行求解。 虽然采用EBE策略的预处理共轭梯度法是解决有限元并行计算很有效的方 法，也是有限元并行计算发展的一个重要方向。尤其是在非线性问题中， EBE方法的效率是很高的。但是目前的各种预处理方法，不仅仅是EBE策 略的预处理，就是对整体矩阵进行的预处理，都很难从理论上说明那一种 更有效。如何给出一个有效的预处理方法仍然是一个需要解决的问题。另 外，EBE方法在非线性问题中的收敛性也是需要进行研究的问题。
第九章岩石力学数值模拟分析
现今可用于对岩体工程结构进行力学分析的数 值方法多种多样，每一种方法有其针对性和特点， 对一个具体的问题用数值模拟方法进行分析时，应 选择一种最适合该问题的方法进行研究。
数值模拟方法的选择，取决于研究对象即 岩体工程结构的岩石力学性质和数值模拟的目 的。
第九章岩石力学数值模拟分析
第九章岩石力学数值模拟分析
动力分析
动力响应分析 在这方面内容中，研究最多的是直接积分法， 并取得了很大的成果。例如，高昀采用 LD LT 分解方法，在 Transputer及网络机群环境下，实现了基于Newmark方法的 的动力响应分析。 结构的动力特性研究 在这一方面，相对于动力的响应分析 来说，研究的相对较少。T.Hwang和I. D. Parsonsp网格法在 MIMD并行计算机上求解特征值问题。国内在这一方面也做 了大量的工作，主要是采用Lanczos方法对其进行求解。另 外，徐甲同采用QIF分解方法对多处理机上矩阵特征值的并 行计算进行了研究。
关于岩土工程的数值计算方法的综述
关于岩土工程的数值计算方法的综述学院：资源与土木工程学院专业：岩土工程学号：姓名：数值计算方法其主要有有限单元法、有限差分法、边界元法、离散元法和流形元法等。
有限单元法：有限单元法发展非常迅速，至今已经成为求解复杂工程问题的有力工具，并在岩土工程领域广泛的采用，主要的分析软件ANSYS。
有限单元法的最基本的元素是单元和节点，基本计算步骤的第一步为离散化，问题域的连续体被离散为单元与节点的组合，连续体内部分的应力及位移通过节点传递，每个单元可以具有不同的物理特征，这样，便可以得到在物理意义上与原来的连续体相近似的模型。
第二步为单元分析，一般以位移法为基本方法，建立单元的刚度矩阵。
第三步由单元的刚度矩阵集合成总体刚度矩阵，并由此建立系统的整体方程组。
第四步进入计算模型的边界条件，求解方程组，求得节点位移。
第五步求出各单元的应变、应力及主应力。
有限差分法：有限差分法在岩土工程中是应用非常广泛的方法，在数值计算模拟上有很大的贡献，主要的应用软件为FLAC3D。
基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。
然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。
边界单元法：边界单元法在岩土工程领域也有很大优势，主要的应用软件是二维边界元法软件THBEM2和三维边界元法软件THBEM3，它们在复杂工程问题的线弹性应力分析以及弹性力学辅助教学等方面的应用有很大优势。
积分法统称为边界单元法，有直接法和间接法两类，它们都是利用了简单奇异问题的解析解，并可近似满足每个边界单元的应力和位移边界条件。
该法仅仅限定和离散问题的边界，可把问题的重点转移到边界上，可以有效地使已知条件降维，从而减小方程组的规模，大大提高计算效率。
节理岩体数值计算方法及其应用_一_方法与讨论
第23卷 第20期岩石力学与工程学报 23(20)：3444～34492004年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct .，20042003年5月30日收到初稿，2003年7月4日收到修改稿。
作者 朱焕春 简介：男，1963年生，博士，1985年毕业于河海大学水文地质与工程地质专业，现任武汉大学教授、ITASCA 高级岩石力学专家，主节理岩体数值计算方法及其应用(一)：方法与讨论朱焕春1，2 Brummer Richard 2 Andrieux Patrick 2(1武汉大学水利水电学院 武汉 430072) (2Itasca(加拿大)咨询公司 索德柏立 加拿大)摘要 叙述了工程岩体的典型破坏类型、发生条件和判断方法，简单介绍了针对节理岩体的数值计算方法发展过程、现状和特点，重点叙述了利用3DEC 基本功能生成三维随机节理网络和节理力学参数的随机赋值方法。
其中三维节理网络技术可以非常逼真地模拟现实条件下各种复杂形式的节理分布，甚至可以直接利用节理的地质编录资料在数值模型中生成确定位置上的确定性节理，在某种程度上一体化地实现了节理岩体的计算机模拟和数值计算，促进了不连续岩体、岩石计算方法在应用技术方面的发展。
最后讨论了不连续力学数值计算技术的工程应用，指出了合理运用数值计算方法解决工程问题的一般原则。
关键词 岩石力学，数值模拟，不连续体，离散元，随机，节理岩体分类号 TU 12 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)20-3444-06NUMERICAL METHODS AND APPLICATION FOR JOINTED ROCKMASS ，PART 1：APPROACHES AND DISCUSSIONSZhu Huanchun 1，2，Brummer Richard 2，Andrieux Patrick 2(1School of Water Resources and Hydropower Engineering ，Wuhan University ， Wuhan 430072 China )(2Itasca Consulting Canada ，Inc .，Sudbury ，ON P 3E 1G 1， Canada )Abstract This paper narrates the typical modes of rock mass failures in engineering activities ，the conditions under which such failures occur ，and the approaches to predict these failures. A brief description is presented of the evolution ，the current state ，and the feature of numerical modelling methods for jointed rock mass. Attention is paid to the technique of generating 3-dimensional joint net in rock mass and randomly simulating the properties of each individual joint on the basis of accessible functions in a 3DEC numerical model. Such technique enables 3DEC to build up a model that contains various joints corresponding to the realistic distributions of joints in rock mass and ，furthermore ，achieve a determinative description of joint distributions by transplanting joint mapping data into a 3DEC model. This ，in some degree ，fulfills the numerical modelling of geomechanical behaviours of jointed rock mass combined with the computerized simulations of its geometry. The essential principles are discussed of applying numerical modelling techniques for discontinuum into engineering projects. Key words rock mechanics ，numerical modelling ，discontinuum ，discrete element ，random ，jointed rock mass1 概 述数值计算已经被普遍应用于工程设计中解决各种岩石力学问题。
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有限元法是对问题的微分近似表达式给出了 精确解，它实质上属于微分法。
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与微分法相对应的是积分法，积分法所涉及的 边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化 仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟 时微分法与积分法之间的区别。
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（二）损伤力学在岩体力学中的应用
将损伤力学的基本方法和过程应用于岩石力 学即岩石损伤力学。岩石损伤力学认为：岩 体内存在有连续分布性的初始缺陷和密集的 微观裂纹，但在宏观上仍可视为连续介质看 待。对于遍布节理，裂隙岩体或呈多组节理 分布的裂隙岩体更切合实际。
三、岩石力学试验与测试方法的进展
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2.统计岩石力学
3.系统分析、控制论等软科学在岩石力学 与工程中的应用
4.人工智能与专家系统在岩石力学中的应 用
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离散单元 法算例： 研究地下 煤层开挖 引起冒落 和岩层移 动，研究 冒落带深 度与节理 间距的关
系。
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3.块体理论
块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结 构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用 矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出 可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开 挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体， 对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、 潜在关键块体、关键块体。
此外，在计算方法上，还有半解析法、加权 残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法 的耦合应用。
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• 例子
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五、位移反分析法在岩体力学中的应用
1.位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中， 通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初 始地应力或岩体力学参数。
2.应用
反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广 应用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、 调整施工方案以及可靠度评价等
六、新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的 应用
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1.分形几何及其在岩石力学中的应用
分形几何是近十年来发展起来的研究非线性 现象和图形不规律性的理论和方法，它在处理 岩石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗 粒特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到 了一系列准确的解释和定量结果。下面图表是 分形几何在岩体结构的分维中的应用。
第十章 岩体力学数值计算方法 及新进展简介
一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发 展紧密相关
今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿 产资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安 全等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高 的要求。大型，特大型的岩体工程修建，都使 岩体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的 解决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的 进一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤
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其是工程地质方面的学科的理论与方法进一步 完善。特别是勘探手段与技术方法的发展紧密 相关。因此要发展岩体力学着门学科，应密切 注视工程地质学科方面的发展，它们是相辅相 成密不可分的。
二、固体力学成就在岩体力学中的应用
（一）断裂力学在岩体力学中的应用
目前，岩石断裂力学的应用前景主要如下： 1.岩石的断裂预测与控制断裂; 2.岩石裂纹的形成与扩展.
（二）有限元法原理及其应用要点
Hale Waihona Puke 原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区
插值的离散化处理把基本支配方程转化为线
性代数方程，把待解域内的连续函数转化为
求解有限个离散点（节点）处的场函数值。
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• 应用要点：
１.正确划分计算范围与边界条件 2.正确输入岩体参数及初始地应力场 3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边 界效应
（一）在室内模拟试验方面，离心模拟试验由 于具有其他模拟试验方法所不具备的优点而 受到注视。
（二）声波层析技术在岩体力学方面的应用受 到注视。
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声波层析技术在岩体测试中的应用
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四、数值分析在岩体力学中的应用和 发展
（一）数值分析方法的分类
在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中， 主要使用的方法为有限元法，边界单元，离 散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等
2.离散单元法
离散单元法完全强调岩体的非连续性。它 认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用 下各块体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以 后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法 对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自 重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定 该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复逐 个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷 载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的 累计位移。