数值模拟实验在岩土工程中的应用与展望
数值分析在岩土工程中的应用课件
数值分析可以模拟土壤的力学行为和地基 工程的地震、渗流等复杂因素，提高地基 工程的可靠性和安全性。
地下水工程与水环境
数值模拟与预测
数值分析可以模拟地下水的流动和污染物 扩散等过程，为水资源开发和环境保护提 供支持。
数值分析可以通过对历史数据的模拟和分 析，预测岩土工程的未来趋势和可能遇到 的问题，为决策提供科学依据。
数值分析在岩土工程中的应用成果已经得到了广泛认可和应用，为工程实践提供了 更为有效的技术支持和解决方案。
数值分析的未来发展趋势
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，数值分析在岩土工程中的 应用将更加广泛和深入。
未来，数值分析将进一步考虑更多的物理和化学效应，建立更为精细和 全面的模型，提高模拟的准确性和精度。
数值分析的重要性
01
随着岩土工程规模的扩大和复杂 性的增加，传统实验方法已经难 以满足实际工程的需求。
02
数值分析可以弥补实验方法的不 足，通过计算机模拟实验过程， 提高分析的精度和效率。
岩土工程中的数值分析应用
岩石力学与岩石稳定性分析
土力学与地基工程
数值分析可以模拟岩石的力学行为和稳定 性，为矿山、隧道等岩石工程的设计提供 依据。
土壤水盐分运移分析 地下水资源保护及利用方案设计
其他工程实例
桩基承载力及沉降分析
边坡支护结构选型及设 计
01
02
03
地基处理方案优化设计
04
工程材料力学性能及参 数确定
05
结论与展望
数值分析在岩土工程中的应用总结
数值分析在岩土工程中得到了广泛应用，为工程设计和施工提供了重要的支持和辅 助。
数值分析能够模拟和预测岩土工程中的各种复杂现象和问题，为工程实践提供了更 为精确和可靠的技术手段。
岩土工程中的数字化模拟技术应用研究
岩土工程中的数字化模拟技术应用研究一、前言岩土工程是一门交叉学科，它涉及到土壤和岩石等地球构造物体在工程中的应用。
在工程建设中，我们经常会遇到一些涉及到地基基础、边坡稳定、隧道开挖、土石方工程等方面的问题，这些问题需要通过研究岩土力学的科学原理来解决。
随着计算机技术的不断进步，数字化模拟技术在岩土工程中的应用越来越广泛。
本文将从数字化模拟技术的应用、发展和研究等方面对岩土工程中的数字化模拟技术进行探讨。
二、数字化模拟技术的应用数字化模拟技术在岩土工程中的应用有很多，比较常见的有以下几个方面：1. 地基基础分析与设计地基基础是承受建筑物荷载的重要组成部分，如果地基基础的设计不合理，将会导致建筑物的沉降、倾斜、开裂等问题。
数字化模拟技术可以帮助岩土工程师更准确地进行地基基础的分析和设计。
借助计算机软件，我们可以将建筑物的外形、荷载、地基土的力学参数等数据输入计算机系统，然后进行数值模拟计算，以获得更精确的地基基础设计方案。
2. 边坡稳定分析与检测在道路、铁路等工程建设中，我们经常会遇到土坡、石坡等边坡问题，数字化模拟技术可以帮助我们进行边坡稳定性分析与检测。
通过输入边坡的地质条件、土壤力学参数、降雨排水等参数，数字化模拟技术能够模拟出边坡的动态变化情况，以便岩土工程师更准确地预测边坡稳定性，并制定相应的维护措施。
3. 隧道开挖模拟数字化模拟技术可以帮助岩土工程师对隧道开挖中的地质条件进行模拟，以更好地预测地层的性质和行为，进而制定更加合理的开挖方案。
比如，在隧道开挖过程中，我们可以输入岩石类型、强度参数、支护结构等数据，然后进行数值模拟计算，以预测隧道开挖过程中可能出现的地质灾害，以及采取相应的安全措施。
4. 土石方工程分析数字化模拟技术可以帮助工程师更准确地进行土石方工程分析。
通过建立数值模型，并输入土石方的体积、密度、倾角、力学参数等数据，我们可以分析土石方施工中可能出现的问题，如土石方稳定性、坍塌等，以及设计相应的防治措施。
数值模拟在复杂岩土体工程问题中的应用
数值模拟在复杂岩土体工程问题中的应用岩土工程是研究土石质材料在施工、使用和环境等多种不同条件下的性能、特性和行为的一门交叉学科。
岩土工程在水、土、岩开挖工程、水利水电工程、交通运输工程、环境工程领域拥有广阔的应用前景。
复杂岩土工程问题是当代岩土工程研究中的重要内容，数值模拟技术在解决这些问题中起着越来越重要的作用。
一、数值模拟技术的基本原理和应用在众多数值模拟工具中，有限元方法和边界元方法是岩土工程中最常用的。
有限元方法是目前国内外岩土工程中应用最广泛的一种数值计算方法。
它基于弹性力学理论和数学计算方法，把连续性介质分割成相对较小的单元，通过在单元内求解各自的节点位移或应变来得到整个模型的应力、应变分布、位移和变形等信息。
而边界元方法是建立在基本解或 Greens 函数的概念上，通过在物理场的边界上建立边界条件，从而得到解决非均匀材料分布或非线性行为问题的能力。
数值计算技术在岩土工程中的应用面非常广泛，包括边坡的稳定性分析、地震波传播和地震反应分析、土方量的估算和构造地质模型的构建等。
其中，边坡稳定性分析在岩土工程中属于比较典型和复杂的问题之一。
通常边坡的稳定性分析涉及到多种因素如土体的物理特性、岩土界面的摩擦角和强度、地球物理因素等。
数值模拟技术可以很好地模拟不同参数对边坡稳定性的影响，特别是在复杂地质情况下对边坡稳定性的影响，可以更好地应对实际工程问题。
二、数值模拟技术在复杂岩土体工程问题中的应用2.1.岩土体的数值分析岩土体多场耦合问题包括注水、渗透、强度、变形、破裂、岩-土接触等现象，是复杂岩土体工程问题中最具挑战性的问题之一。
这些问题在采矿、建筑和水电等工程中都有深刻影响。
数值模拟技术以其强大的处理能力，极好地应对这些问题。
2.2.岩土动力学问题的数值分析岩土动力学问题是指在地震、爆炸或风暴等自然灾害下，岩土体的应力变化达到一个新平衡的过程。
它是复杂岩土体工程问题中的难点问题。
通过对岩土动力学问题的数值模拟，可以计算出岩石结构的本质特性和对岩石力学性质的改变，进而探索不同条件下的地震灾害诱发因素和发展机理，从而寻找减灾措施和减轻灾害的途径。
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用岩土工程是一门研究土体和岩石在水、力和热的作用下行为特性及其在工程实践中应用的学科。
随着计算机技术的不断发展和应用，数值模拟方法已经成为岩土工程中必不可少的研究手段之一。
本文将从有限元方法、离散元方法和边界元方法三个方面探讨岩土工程中常见的数值模拟方法及其工程应用。
一、有限元方法有限元方法是目前最为广泛应用的岩土工程数值模拟方法之一，其主要特点是可以进行非线性和非平衡的分析。
在岩土工程中，有限元方法主要用于模拟岩土体在受力下的变形和破坏过程。
有限元方法的求解过程可以划分为以下三个步骤：1. 离散化——将复杂的物理问题离散化为条形单元进行计算，使得计算变得简单；2. 建立方程——将有限元模型建立为代数方程组，通过求解方程组得到解；3. 处理结果——利用分析结果来展示研究对象的物理特性和行为。
在岩土工程中，有限元法主要用于地下工程和地震工程等方面的研究，比如隧道围岩和坝体安全评价、塑性材料本构模型细化、岩石三轴试验模拟等。
有限元法的应用使得传统规律模型得以精细化，模拟效果更加接近实际情况。
二、离散元方法离散元方法是一种用离散单元来描述物质状态、分析物质运动的力学方法。
离散元方法是一种适用于多体动力学和岩土体力学问题的数值分析方法。
离散元方法的特点是将物体分解成为微小单元进行数值模拟，从而得到宏观上看起来的结果。
在岩土工程中，离散元方法主要用于土体颗粒流、岩体破坏分析、地震工程模拟等方面的研究。
离散元法常用于研究固体、颗粒和流体的耦合问题，如土石流运动规律研究、软黏土土体力学性质研究等。
三、边界元方法边界元方法，也叫边界积分方法，是一种应用在数学物理问题上的计算算法。
该方法不需要离散化处理，只需要在表面上建立边界元网格即可。
在岩土工程中，边界元方法主要用于颗粒间相互作用、地下水流、地震动等方面的研究。
边界元方法的优点是不需要建立离散网格，仅需在边界上建立少量的节点，计算速度较快，且精度较高，由此常用于模拟地下水流动或地震波传播。
岩土工程领域中的数值模拟与分析
岩土工程领域中的数值模拟与分析岩土工程领域是一个既辽阔又深奥的学问领域，涉及到地球物理学、地质学、力学、材料学等众多学科的交叉和融合，其研究对象和方法也很多样化，包括软土地基的加固、岩土爆炸力学、隧道开挖与支护、岩土工程灾害等多方面内容。
在这些研究和应用活动中，数值模拟和分析是岩土工程师们不可或缺的工具之一。
本文将从岩土工程领域的数值模拟基础、软土固结模拟、岩石力学分析、隧道与地铁工程应用等角度，介绍基于数值模拟和分析的岩土工程研究，并探讨未来数值模拟技术的发展趋势。
一、岩土工程领域的数值模拟基础岩土工程领域的数值模拟，其基础在于模拟对象的物理模型建立和参数确定。
物理模型是将实际岩土工程问题抽象成为数学公式和物理方程组的解析模型，通常采用连续介质或非连续介质假设，建立微分方程组，并应用程序进行求解。
参数则是指材料物理力学参数、地质工程参数、边界条件等，这些参数的精确定义和确定对数值模拟模型精度、可靠性有着至关重要的作用。
在数值模拟和分析的基础上，岩土工程领域产生了一系列深奥的理论和实用的应用成果，例如岩石力学、软土地基加固、隧道工程等，这些应用成果已经广泛应用于工程实践中，成为了许多岩土工程师必备的工具。
二、软土固结模拟软土地基的加固技术是岩土工程领域中研究最为深入、技术最为成熟的方向之一。
软土地基的特点是比较松软，且存在相当程度的可压缩性与空隙度变化性。
因此，设计软土地基加固方案需要充分考虑软土地基物理性质、荷载作用应力水平、固结程度等因素，并应用现代数值模拟方法对加固效果进行评估与优化。
针对软土地基固结模拟研究，数值分析方法主要有有限元方法和边界元方法两种。
其中有限元方法是目前应用最广泛的数值模拟方法之一，可用于建立软土地基固结过程的模型并精确分析预测加固效益。
在有限元计算过程中，材料力学性质、截面尺寸、几何形状等因素均可考虑，对设计参数与材料选用都需要进行合理选取。
三、岩石力学分析岩石力学是岩土工程领域中的一个重要分支，研究岩石受力、变形和断裂破坏等性质，是钻井、坑道开挖、地下水库等地下建筑、工程设计和施工中必须要考虑的问题。
岩土工程中的模拟试验与数值计算
岩土工程中的模拟试验与数值计算岩土工程是一门研究地面工程结构及地下工程物资在土体和岩石的相互作用下的受力和变形规律的学科。
近年来，随着科学技术的飞速发展和各领域集成应用的逐渐深入，模拟试验与数值计算在岩土工程领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍岩土工程中模拟试验与数值计算的意义、方法和应用。
一、模拟试验的意义岩土工程中的模拟试验是指通过实验手段来研究岩石和土体体系在外力和环境的作用下的变形规律及其力学行为。
模拟试验的意义在于：1、验证理论理论模型只是粗略地描述了地下工程的结构和变形形态，而实际环境中各种因素的复杂性往往超出了理论模型的范畴。
通过模拟试验，可以验证理论模型的实用性和可行性，为理论模型的修正和完善提供依据。
2、预测实际工程模拟试验可以模拟地下工程的实际工况，预测其在工程过程中的变形、应力等情况，为工程设计和工程实施提供科学依据。
3、提高工程质量通过模拟试验，可以在实际工程中预测出各种可能制约工程质量的因素，提前制定预防措施，避免工程事故的发生。
二、模拟试验的方法模拟试验分为室内试验和现场试验。
室内试验主要用于长期稳定的力学特性、渗透特性、水文特性等方面的研究；而现场试验则可用于直接获得现场的资料，如地层物性资料、承载能力信息等。
1、室内试验室内试验分为理论数值模拟试验和物理模型试验两种。
理论数值模拟试验理论数值模拟试验可以对物理模型试验中难以量化的问题进行数值解决。
这种方法涉及到计算机科学和数学模型，主要是通过将真实物理场抽象成数学模型，利用计算机模拟实际物理场景，以达到物理问题的可解性。
物理模型试验物理模型试验是通过对真实工程场景的缩减，建造一个缩比模型，在模型中模拟真实工程的本征特性和变形规律。
模型试验在预测工程的性能和可靠性方面具有很大的优势。
2、现场试验现场试验分为静载试验和动载试验两种。
静载试验静载试验是通过给地基施加等量的加载，以极大程度地模拟地下工程承载能力和变形情况，来评估地基的承载力和沉降性能。
岩土工程中的数值模拟方法研究
岩土工程中的数值模拟方法研究岩土工程是研究土壤和岩石的力学性质、形态、结构、属性以及它们之间的相互关系的学科。
为了解决实际工程中遇到的地质问题，岩土工程师需要对土地和石头的力学性质进行深入研究。
数值模拟方法是岩土工程中比较重要的研究方法之一，它可以有效地研究结构物的稳定性和地基的承载能力等问题。
本文将重点介绍岩土工程中的数值模拟方法研究。
一、岩土工程中的数值模拟方法在岩土工程中，数值模拟方法主要采用有限元法、边界元法、有限差分法等方法。
1. 有限元法有限元法是一种将实际问题离散化的方法。
通过分析每个离散化的单元的边界值和内部值，得出全局问题的近似解。
有限元法在岩土工程中的应用很广泛。
根据模拟对象不同，有限元法可以被分为以下几种。
（1）岩土体的有限元法岩土体的有限元法主要用于研究岩土、土壤等材料的力学性质。
它将岩土体划分为许多小单元，然后采用有限元法对每个单元的运动和变形进行计算。
通过不断迭代，可以得出最终的解决方案。
（2）混凝土结构的有限元法混凝土结构的有限元法主要用于研究混凝土结构的力学性质。
将整个建筑物划分为许多小单元，然后通过有限元法进行计算和模拟，最终得出结构物的稳定性和承载能力等参数。
2. 边界元法边界元法也是一种数值模拟方法。
与有限元法不同的是，边界元法主要是对问题的边界进行分析而不是进行全局分析。
这种方法在处理边界复杂、计算单元较少的情况下，效率较高。
3. 有限差分法有限差分法是通过计算差分形式方程来求解偏微分方程的一种方法。
它将连续的物理空间离散为一系列代表物理属性的网格单元格，并将问题表示为这些单元格之间的状态变化。
利用差分方程求解物理量值的变化。
二、数值模拟方法在岩土工程中的研究现状在岩土工程的研究领域中，数值模拟方法已经得到了广泛的应用。
在工程实践中，它为工程设计提供了重要的依据。
如今，许多研究组织和科学家都在积极开展数值模拟方法在岩土工程中的研究。
他们通过开展实验，采用新的数值模拟方法，并通过对现有方法的改进来提高模拟的准确性和可靠性。
论岩土工程中的数值模拟的合理应用
论岩土工程中的数值模拟的合理应用自计算机问世以来，以其强大的计算能力使一些复杂的岩土工程计算、模拟通能力获得了空前的、飞跃式的提升，使很“土”的岩土工程终于披上了较为华丽的外衣，在一定程度上增强了岩土工程的内在素养，丰富了人们改造自然的手段和能力。
计算机计算和模拟岩土工程的能力主要取决于计算机的计算能力、程序的编制水平和建模者自身的岩土工程素养。
对大多数普通岩土工程者来说，计算机的计算能力是能满足使用要求的，最多只是计算的快慢而已。
而计算机应用岩土工程的核心问题是程序编制者与岩土工程建模者的具体能力素养。
如程序编制者主要考虑其理论能力，建模者往往更多的是工程经验和具体参数、边界等因素的确定。
但考虑到岩土工程的不连续性、变异性和多相性，模型边界条件、参数选用的一定模糊性等，造成岩土工程的必须遵循理论为导向，经验是关键的处治原则。
精确的计算在岩土工程中历来基本都是参考或其中一个重要依据。
一旦数值模拟脱离实际，就会沦为任意修改参数的“数字游戏”，就会成为“皇帝的新衣”，甚至得出完全相反或错误的结论。
“天行有常，不为尧存，不为桀亡”。
数值模拟的不合理性是不能改变自然坡体的天然属性，那种完全违背基本的岩土工程理念的数值模拟，无论外表如何华丽，都将会在“实践是检验真理的唯一标准”的见证下显露原形。
岩土工程需要数值模拟，尤其是在有些特殊地段，的确具有其它方法所不可比拟的优势，它的出现大大丰富岩土工程问题的处理手段、方法。
但如果科研和技术人员在没有认真的现场踏勘、分析岩土体性质，缺乏相关试验资料的基础上，通过非常简单而不可靠的地形测量，就给予想当然的参数和模型，进行了想当然的数值模拟，造成的后果可而知。
这是不符合岩土工作者实事求是的辩证唯物主义思想的！李广信教授批判先射箭，后画靶的“先箭后靶”式的数值模拟，他对那种采用不知哪来的程序+不知哪来的参数+不知哪来的基础资料=天衣无缝的模拟是批判的。
其实，这种依据假想的结论进行的数值模拟在岩土工程并不少见，有时候真是害人不浅。
岩土工程中的数值模拟技术研究
岩土工程中的数值模拟技术研究一、前言岩土工程是一门非常重要的学科，应用范围广泛，涉及到建筑、铁路、道路等领域。
随着人们对工程设计质量要求的提高，传统的设计方法已不能满足需求，数值模拟技术逐渐成为了岩土工程师不可或缺的工具之一。
本文将重点介绍岩土工程中的数值模拟技术的研究及其应用。
二、岩土工程中数值模拟技术的概述1. 数值模拟技术的基本原理岩土工程中的数值模拟技术，是一种通过计算机模拟物理过程或现象的方法。
根据数学模型或算法，将岩土工程中的复杂问题简化为计算机可以理解的数学模型，然后利用数值计算方法对其进行求解。
其基本原理是离散化，即将求解区域网格化，将连续的问题转化成离散的问题，在每个网格节点上计算数值，最终求解整个问题。
2. 数值模拟技术的优点相对于传统的试验分析和经验设计，数值模拟技术具有许多优点。
首先，可以减少人为因素的干扰，比如考虑到岩土场地中的极端天气条件是一项任务相对较好的事情。
其次，计算机可以大大减少反复地尝试的时间和成本，从而提高效率和质量同时保证了成果的可靠性。
然后，数值模拟可以很好地模拟强度、变形、稳定性、渗透性等多种工程关键性状，并进行不同的场景测试，以确定设计方案。
三、岩土工程中数值模拟技术的应用1. 计算地下矿山在煤炭业和金属矿产开采行业中，探测矿山地下空间的结构和稳定性是一项非常关键的任务，模拟技术可以很好地解决这个问题。
利用数值模拟技术，可以模拟岩层的结构，预测地下空间的变形和稳定性。
利用数值模拟技术，可以确定稳定的开采方案，从而提高矿山的生产效率和获益。
2. 道路和桥梁结构分析在岩土工程中，模拟技术也常被用于道路和桥梁结构的分析和设计中。
利用数值模拟技术，可以精确地预测交通运输系统受地震影响的情况，以及各种情况下桥梁会发生的变形和破坏。
此外，模拟技术的使用可以节省建造时间和减少对环境的不良影响，为城市交通建设提供了更高效的方案。
3. 岩土工程稳定性分析模拟技术在岩土工程中的一项主要应用是进行稳定性分析。
岩土工程中的边坡稳定性分析与数值模拟
岩土工程中的边坡稳定性分析与数值模拟岩土工程中的边坡稳定性分析与数值模拟是一个重要的研究领域。
边坡是指斜坡的边缘部分，其稳定性是评估工程项目安全性和可靠性的关键因素之一。
通过对边坡进行稳定性分析和数值模拟，可以预测边坡的稳定性，并为工程设计和施工提供必要的参考。
1. 岩土工程中的边坡稳定性分析边坡稳定性分析是通过考虑多种力和应力的作用，以及土壤和岩石的力学性质，评估边坡的稳定性。
这种分析通常包括以下几个方面：1.1 土壤力学性质的参数获取边坡稳定性分析的基础是获取土壤的力学性质参数。
常见的参数包括土壤的内摩擦角、黏聚力等。
这些参数通过室内试验和现场测试获得，以提高稳定性分析的准确性。
1.2 边坡的力学模型边坡的力学模型是对边坡的力学特性进行建模，通常使用有限元方法或边坡稳定性公式模拟边坡的应力和变形。
这些模型可以反映边坡的内部应力分布和变形情况，为边坡稳定性分析提供支持。
1.3 边坡的稳定性评估在确定边坡的力学模型后，可以通过力学计算方法对边坡的稳定性进行评估。
常见的评估方法包括平衡法、切线法和极限平衡法等。
这些方法可以分析边坡的稳定性特征，找出边坡可能出现的问题，并提出相应的应对措施。
2. 边坡稳定性数值模拟边坡稳定性数值模拟是利用计算机和数值方法，对边坡进行力学分析和预测。
这种模拟方法通常包括以下几个步骤：2.1 边坡的几何建模边坡几何建模是将现实中的边坡转化为计算机可识别的几何模型。
几何模型的建立需要详细描述边坡的形状和尺寸，并考虑到边坡的复杂性和非线性。
2.2 边坡的力学模型力学模型的建立是为了定量描述边坡的应力和变形状态。
在数值模拟中，通常采用有限元方法或边界元方法来建立边坡的力学模型。
2.3 材料参数的设置材料参数的设置是指确定用于模拟边坡材料行为的参数，如土壤的弹性模量、泊松比等。
这些参数需要通过试验或经验来确定。
2.4 边坡的边界条件边坡的边界条件包括约束条件和外荷载条件。
这些条件需要根据边坡实际情况和工程需求进行合理设定。
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由于岩体的不连续性与非均质性ꎬ实验室岩 石试样具有明显的“ 尺寸效应”ꎬ并且通过实验 得到的结论往往与实际工程相差甚大[３] .
通过现场原位实验的方式取得数据ꎬ也非常 艰难.岩体力学原位实验一般耗资巨大ꎬ且受地 形、地质、施工条件限制ꎬ得到的实验结果不具代 表性ꎬ难以推广到其他工程[２] . １������ ２ 数值模拟在岩土工程中的优越性
４０ 绍兴文理学院学报( 自然科学) 第 ３８ 卷
１ 数值模拟实验在岩土工程中的 优势
岩体本身具有非均质、非连续、非线性及复 杂的加卸载条件和边界条件的特点ꎬ加之岩体所 处环境也 比 较 复 杂ꎬ 岩 体 工 程 开 挖 前 就 受 地 应 力、地下水、周围温度等耦合作用ꎬ所以很难建立 完善的地质力学模型[２] . １������ １ 传统研究方法的局限性
关键词:数值模拟实验ꎻ岩土工程ꎻ应用实例ꎻ参数对比 中图分类号:ＴＵ４５ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００８－２９３Ｘ(２０１８)０８－００３９－０６
收稿日期:２０１８－０７－０４ 基金项目:国家自然科学基金项目(４１７０２３８１) ꎻ深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项
目( ＳＫＬＧＤＵＥＫ１５１７) ꎻ绍兴文理学院科研启动项目( ２０１５５０１６) ꎻ绍兴文理学院校级科研项 目(２０１６ＬＧ１００９) . 作者简介:彭岩岩(１９８７— ) ꎬ女ꎬ河南周口人ꎬ绍兴文理学院土木工程学院讲师ꎬ博士ꎬ研究方向:岩体 工程物理模拟试验、红外探测技术研究及边坡灾害的预警与控制等.
数值模拟实验在岩土工程中的应用与展望
彭岩岩１ꎬ２ 刘宇航１ 王天佐１ꎬ２ 杜 伟１ 郑质彬１
(１������ 绍兴文理学院 土木工程学院ꎬ浙江 绍兴 ３１２０００ꎻ ２������ 绍兴文理学院 岩土工程与地质灾害实验中心ꎬ浙江 绍兴 ３１２０００)
摘 要:从数值模拟实验的基本原理和典型实验案例介绍岩土工程问题分析中常用的数值模拟实验方法. 通过对传统分析方法与数值分析方法的对比分析ꎬ总结 数 值 模 拟 实 验 的 特 点 及 适 用 范 围. 参 数 的 选 择 和 对 比是目前数值模拟实验在实际应用中遇到的主要问题ꎬ针对上述问题提出了多种数值模拟方法综合应用 的解决思路.数值模拟实验在与地质力学模型实验及现场工程结合验证方面有广泛的应用前景ꎬ是解决岩 土工程问题的有效工具.
２ 岩土工程中常用的数值模拟方法
２������ １ 有限元法 ２������ １������ １ 有限元法原理
有限元法是利用变分的原理去求解数学物 理问题的一种数值模拟方法. 有限元法最早由布 理克( Ｗ������ Ｂｌａｋｅ) 在 １９６６ 年引入岩土工程领域ꎬ 用来解决岩土工程问题. 有限元法基于最小总势 能原理通过解方程组的方法来求解ꎬ是目前岩土 工程领域中应用最广泛的数值模拟方法.
有限元法由线性发展到非线性和大变形问 题的应用( 二维发展到三维)ꎬ目前还可考虑流 变、温度与应力场耦合ꎬ损伤、渗流、断裂以及波 动和动力效应[５] .
刘庭金等[６] 利用有限元分析矿山、地铁等地 下工程由于洞室开挖引起的围岩卸载过程中ꎬ洞 室孔壁围岩附近发生的损伤演化和应力场调整 全过程进行分析.郑颖人等[７] 对有限元强度折减 法的计算精度和影响因素进行了详细分析ꎬ包括 屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算 参数对安全系数计算精度的影响ꎬ并给出了提高 计算精度的具体措施. 应用于岩质边坡的稳定分 析ꎬ得到了岩质边坡的滑动面和安全系数ꎬ开创 了求节理 岩 质 边 坡 滑 动 面 与 稳 定 安 全 系 数 的 先例. ２������ ２ 边界元法 ２������ ２������ １ 边界元法原理
有限元法是用多个彼此相联系的单元体所 组成的近似等价物理模型来代替实际的结构或 者连续物体ꎬ通过结构及连续体力学的基本原理
及单元的物理特性建立起表征力和位移的关系 去建立方程组ꎬ解方程求其基本未知物理量ꎬ并 由 此 求 得 各 个 单 元 的 应 力、 应 变 及 其 他 辅 助值[４] . ２������ １������ ２ 有限元法的应用
第 ３８ 卷 第 ２０１８ 年 ８
月８ 期
绍 兴 ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｏ文Ｆ ＳＨ理Ａ ＯＸ学ＩＮ Ｇ院ＵＮ ＩＶ学Ｅ����� ８ Ａｕｇ������ ２０１８
ｄｏｉ:１０.１６１６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００８－２９３ｘ.ｋ.２０１８.０８.００７
岩土是一般材料ꎬ也是一种地质结构体ꎬ它 具有非连续、非均质、非线性的特性及复杂的加 卸载条件和边界条件ꎬ这使得岩土工程问题通常 无法简单求解.因此数值模拟方法成了解决某些 岩土工程问题的有效工具之一.从 ２０ 世纪 ５０ 年 代开始ꎬ人们就利用数值模拟方法对岩土工程问 题进行大量研究ꎬ经过 ６０ 多年的发展ꎬ针对岩土 工程问题的数值模拟方法逐渐成熟ꎬ成为岩土工 程学科一个重要的研究方向ꎬ使复杂岩土工程问 题的设计发生了根本性的变化. 岩土工程数值模 拟不仅取代了传统线弹性力学实验ꎬ而且也在岩
石工程非线性实验中显示出极大的优势[１] . 岩土工程的数值模拟实验是对岩土工程活
动和自然环境变化过程中岩体及工程结构的力 学行为进行数值模拟的一种手段. 在进行岩土工 程数值模拟的时候ꎬ需要对岩体进行分类:一是 基于连续岩体力学的数值模拟ꎬ二是基于不连续 岩体力学的数值模拟. 有限元法、边界元法、有限 差分法把岩体看作连续介质进行模拟ꎬ而离散元 法、不连续变形分析法、数值流形法把岩体看作 不连续介质进行模拟ꎬ本文会对上述方法和应用 进行总结介绍.