岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟
基于物理模型的岩土工程中的数值模拟研究
基于物理模型的岩土工程中的数值模拟研究岩土工程是以地球物理及其它相关学科上的原理为基础，应用于岩土工程实际应用中，依据自然界中各种岩土体性质及其力学性能、岩土与水和土体结构的相互作用，开展可持续的工程建设、资源开发和环境治理的领域。
随着我国人类社会的发展，地下和地面工程建设中越来越多的需要考虑到岩土体的物理力学问题。
为了更好地应对实际岩土工程中可能出现的各种问题，岩土工程领域的专家学者们借助现代化工具，开展了多项基于物理模型的数值模拟研究。
一、数值模拟的优势数值模拟是基于数学模型和计算机模拟对物理问题进行分析和解决的方法。
在岩土工程领域中，数值模拟除了可以模拟实际场地的地质结构和物理特性外，还具有多种优势：一是省时省力。
不用进行实际的试验和测量，省去了时间和人力，还能够实现更多对实际工程难以进行的模拟，如不同工况下的变形和破坏；二是低成本。
数值模拟所需的设备和材料较少，而实验设备和材料费用相对较高；三是数据更加精确。
在实验中，仪器的误差等因素会影响测试结果的精度和准确性，而数值模拟不受这些因素的影响，模拟范围和可重复性更强。
二、数值模拟的实例基于物理模型的岩土工程数值模拟研究已经广泛开展，下面列出一些代表性的实例。
1、隧道施工隧道施工是岩土工程中的重要领域之一。
隧道施工过程中，需要考虑到地质条件、水文和土体性质等多种因素，常见的模拟方法有有限元法、流体力学模拟等方法。
有限元法可以对隧道施工过程中的变形、应力分布等进行模拟，为实际隧道施工提供科学依据。
而流体力学模拟则可以模拟施工现场不同位置土体中的水流和压力等数据，帮助工程师对施工过程中的水文问题进行更为精确的预测。
2、土体力学行为土体力学行为是岩土工程中最为基础的问题之一，其解决有助于工程师更好地把握土体行为的规律，并预测其在实际工程施工中的表现。
将土体的变形和强度分析建立在数值模拟基础上可以更好地确定地基的坚固程度。
应力路径分析是其中的一种方法，利用数学模型可以模拟中多种不同荷载下的土体变形和破坏，通过模拟和分析数据来预测实际情况的发展趋势。
5 水对岩石力学性质影响规律及流固耦合作用模拟
5 水对岩石力学性质影响规律及流固耦合作用模拟岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程，地下井巷、通道、铜室、隧道等。
随着科技、社会的发展和采掘技术的进步，如今地下工程的应用范围之广、规模之大、埋深之深以及向深部推进速度之快，已非昔日可比。
随着开采深\度的增加和铁路隧道等的建设，在地下岩石工程上遇到了越来越多的工程软岩，软岩的流变特性(大变形)，受到应力大小、围岩加载状态、含水率(湿度)、温度、以及岩石构成等诸因素的影响。
研究诸因素的影响，分析岩石在环境物理应力场发生变化，含水率对岩石力学性质的影响规律，对是解决岩土工程和矿山巷道的围岩稳定性，讨论其失稳对策，以及对岩土工程和巷道的设计和维护问题，都有着现实的经济和社会意义。
5.1 水对岩石力学性质影响作用5.1.1 水对岩石力学性质影响的物理作用5.1.2 水对岩石力学性质影响的化学作用5.1.3 水对岩石力学性质影响的力学作用水对岩体的影响，归纳起来有两种作用:第一种是水对岩体的力学作用，重要表现为静水压的有效应力作用，动水压的冲刷作用。
第二种是水对岩体的物理与化学作用，包括软化、泥化、膨胀与溶蚀作用，这种作用的结果是使岩体性状逐渐恶化，以至发展到使岩体变形、失稳、破坏的程度。
虽然静水压力所产生的浮力不直接破坏岩体，但能使岩体的有效重量减轻，降低了抵抗破坏的能力，同时在岩石变形过程中，岩石内部的水来不及四处扩散，能产生很高的压力，使得岩石的孔隙裂隙增加，降低岩石的强度;同时，使岩石的有效承载面积减小，实际载荷的增加比不含水时要大。
水在软岩裂隙、节理中流动，一方面水本身起到润滑作用，另一方面水与孔隙、裂隙中.可能存在的少量亲水物质结合，使其结构破坏，形成了类似于润滑剂的材料，这样，岩石试件在变形的过程中，摩擦系数随含水量的增加而减小。
软岩中所含的少量的泥质成分会由于水的反复作用而降低，甚至完全丧失，使岩石的强度大大降低。
另外，流体的孔隙、裂隙压力对不连续面法向应力有很大的影响。
地下岩体应力场-渗流场-热场三场耦合作用的数值模拟研究初探
力 场一 渗 流场 一 热 场 三场 耦 合 作 用 的研 究 现 状 ，基 于 渗 流场 与 热 场 、应 力 场 与 热 场 、 以及 三 场
耦 合 作 用 的 研究 ．从 场 与 场 之 间相 互 影 响 关 系 人 手 ．综 合 分 析 了从 以 变 量 为 媒 介 到 以场 为 媒 介 ，从 松 散耦 合 到 强耦 合 ，从 观 测 统 计 模 型 到 数 值 模 拟 的 发 展 历 程 ，并 阐述 了地 下 岩 体三 场
广东 广州 ５ １ ０ ０ ７ ０ ；５ ． 浙 江 师 范 大 学 ．浙 江 金华 ３ ２ １ ０ ０ ４ ）
摘 要 ：在地 下 岩 体 变 形 、地 震 的孕 育 与 发 生 过 程 中 ，多 种 物 理 场 、化 学 场 是 同 时 存 在 并 相 互 影 响 的 ，其 中应 力 场 、渗 流 场 和 热 场是 其 最 重 要 的 物 理 场 。文 中综 述 了近 ４ ｏ年来 地下 岩体 应
耦 合 存 在 的 问题 和 发 展趋 势
关 键 词 ：应 力 场 一 渗 流场 一 热 场 耦合 ：数 值 模 拟 ：研 究进 展
中图 分 类号 ：Ｐ ３ １ ５ ． １ ２ 文 献 标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ １ — ８ ６ ６ ２（ ２ ０ １ ３ ）Ｏ ２ — ０ ｏ １ ４ — １ ３
０ 引言
地 质过 程 的多 物理 场耦 合 ，特 别是 应力 场 （ Ｍ） 、 渗流 场 （ Ｈ） 和热 场 （ Ｔ ） 的三场 耦 合 （ 下文
简 写 为 ＭＨ Ｔ） 问题不 仅 是 当前 岩石 力 学 、流 体 （ 渗流 ） 力 学 、传 热 学研 究 的热 点课 题 ，更 与 诸 多 工程 和实 际 问题 息息 相关 。如石 油 、天 然气 、地 热 等资 源能 源 的开 采 ，核 废料 安 全储 存 ，地 下储气 库 工 程 ，城 市 垃圾 填 埋 ，地 下 污 染 物 的迁 移 ，非 等 温 煤 层 瓦斯 渗 流 等方 面 ， 都 存在 着两 场或多 场耦合 问题 地下岩 体 ＭＨＴ耦 合作 用是指 在地 质体 （ 或 多孔 介质 ） 的演 化发 展 过程 中 ，应力场 、渗 流
非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究
非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究无论是300m级高坝,还是高陡边坡、大型地下工程建设,均无一例外地涉及复杂赋存环境下岩土体渗流、变形与稳定控制问题。
岩土体渗流与变形的耦合作用以及多场多相耦合过程既是近30年来国际岩土力学领域的前沿研究热点,也是大型水利水电工程、深部岩体工程、核废料地质处置工程等建设中迫切需要解决的关键科学技术难题。
本文以非饱和土为主要研究对象,以土体细观结构及其演化为基础,紧密围绕非饱和土水力耦合机理的量化描述、耦合过程的精细模拟、耦合效应的工程控制这一核心科学问题,重点开展了非饱和土水力全耦合本构模型及数值模拟方法等内容的研究。
主要研究成果如下：(1)建立了考虑颗粒黏结效应的非饱和土弹塑性本构模型大量研究表明,非饱和状态下土体颗粒间的黏结效应对其变形具有显著影响。
采用单位接触面积上弯液面引起的黏结力,定义了黏结因子这一具有严格物理意义的独立变量,用以表征颗粒黏结效应对非饱和土力学特性的影响。
基于试验成果,建立了黏结因子与孔隙比的内在联系,推导了加载一湿陷屈服方程,并在修正剑桥模型的框架下建立了三轴应力状态下非饱和土的弹塑性本构模型。
与经典的巴塞罗那模型(Barcelona Basic Model, BBM)相比,该模型仅采用单一屈服面(BBM有2个),模型参数较少(8个,较BBM少4个参数),且物理意义明确,均可通过常规试验确定。
试验验证结果表明,该模型不仅具备BBM模型所有的描述能力,还能够描述脱湿引起的弹塑性变形等复杂力学特性。
(2)建立了考虑变形效应的土水特性与渗透特性演化模型在水力耦合过程中,土体变形及孔隙分布演化对其土水特性具有显著影响。
尽管土体孔隙分布的演化模式较为复杂,但试验研究表明,土体在变形过程中,孔隙分布的基本形态未发生显著变化、统计分布特征基本不变。
以参考状态孔隙分布函数为基础,经平移和缩放给岀了变形条件下土体的孔隙分布函数,进而建立了考虑变形和滞回效应的土水特征曲线模型。
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在当今的岩土工程领域，数值模拟技术正发挥着日益重要的作用。
它犹如一把神奇的钥匙，为我们开启了深入理解和解决岩土工程复杂问题的大门。
岩土工程，作为一门与土地和岩石打交道的学科，面临着诸多复杂的挑战。
从高楼大厦的基础建设到大型隧道的开凿，从山体边坡的稳定性评估到地下水资源的开发利用，每一个项目都需要对岩土体的力学行为和物理特性有精确的把握。
而数值模拟技术的出现，为我们提供了一种强大的工具，能够在实际施工前对工程进行预测和分析，从而降低风险、提高效率。
数值模拟技术的核心在于将岩土工程问题转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解。
这就像是在虚拟的世界中搭建一个与实际工程相似的场景，然后观察和分析各种因素对其的影响。
在这个过程中，我们需要对岩土体的本构关系、边界条件、初始条件等进行合理的假设和设定。
岩土体的本构关系是数值模拟中的关键因素之一。
它描述了岩土体在受力状态下的应力应变关系。
常见的本构模型有弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型等。
不同的本构模型适用于不同类型的岩土体和工程问题。
例如，对于坚硬的岩石，弹性模型可能就能够较好地描述其力学行为；而对于软弱的土体，弹塑性模型则更为合适。
边界条件和初始条件的设定也至关重要。
边界条件决定了模型的外部环境，例如土体的侧限压力、岩石的固定边界等。
初始条件则包括岩土体的初始应力状态、孔隙水压力等。
如果这些条件设定不准确，就会导致模拟结果与实际情况相差甚远。
在数值模拟技术中，有限元法和有限差分法是应用最为广泛的两种方法。
有限元法将连续的岩土体离散为有限个单元，通过求解每个单元的平衡方程来得到整个系统的解。
它具有较高的精度和适应性，能够处理复杂的几何形状和边界条件。
有限差分法则是将求解区域划分为网格，通过差分近似来求解偏微分方程。
它的计算效率较高，适用于大规模的数值计算。
以一个简单的地基沉降问题为例，我们可以使用数值模拟技术来预测建筑物在施工后的沉降情况。
地下流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟的方法
在地下水流系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟的方法中，我们需要考虑的因素非常复杂。
从地下水流动到热传导和化学反应，这些过程之间相互作用，需要综合考虑才能得出准确的模拟结果。
在本文中，我将深入探讨这一主题，从简单到复杂逐步展开，帮助您更好地理解这一复杂系统的模拟方法。
1. 地下水流动的基本原理地下水是指自然界中流动在地下的水体。
地下水流动系统是由地下水流动的动力学特性、地下水的热力学特性以及地下水的化学性质组成的。
地下水流动的基本原理包括渗流理论、多孔介质中的水流与传热传质以及与地下水相关的水文地质等知识。
在地下水系统中，流体的运动受到多种因素的影响，如地下水的渗透性、多孔介质的孔隙度、孔隙结构以及地下水对流速的影响等。
2. 地下水热力学特性地下水热力学特性是指地下水在渗流过程中与热量的交换和传递。
地下水热力学特性的研究是为了更好地理解地下水与热量之间的相互作用，并在模拟过程中准确地模拟地下水的渗流和传热现象。
在地下水流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟中，地下水的热力学特性必须被充分考虑，以确保模拟结果的准确性。
3. 地下水化学性质地下水的化学性质是指地下水中所含的化学成分及其在地下水中的相互作用。
地下水中的化学成分对地下水的渗流、传热等过程都有着重要的影响。
在地下水流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟中，地下水的化学性质需要被综合考虑，以准确地模拟地下水的化学反应和地下水中溶质的迁移。
4. 数值模拟方法在地下水流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟中，为了准确地模拟地下水的流动、传热和化学反应过程，需要采用合适的数值模拟方法。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法等。
这些数值模拟方法能够很好地解决地下水流动系统复杂多场耦合问题，有效地模拟地下水流动、传热和化学反应过程。
5. 个人观点和理解在我的个人观点和理解中，地下水流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟是一个非常复杂和有挑战性的课题。
冻土水热耦合方程及数值模拟研究
冻土水热耦合方程及数值模拟研究冻土是指由于气温低而使得土壤和岩石层中的水分冻结成冰的地质现象。
在冻土地区，土壤和岩石层的物理性质和工程性质会受到极大的影响，因此，对于冻土的研究具有重要的实际应用价值。
冻土水热耦合方程是描述冻土中水分、热量和力学过程之间相互关系的数学模型，而数值模拟则是利用计算机技术对冻土水热耦合方程进行求解和分析的重要手段。
本文将介绍冻土水热耦合方程及数值模拟研究的意义、现状、方法、结果和讨论，并总结研究成果和不足之处，提出未来的研究方向。
在国内外相关领域的研究中，冻土水热耦合方程的研究已经取得了重要的进展。
在模型方面，研究者们基于不同的物理力学原理，建立了一系列冻土水热耦合方程，如Richards方程、能量平衡方程、力学平衡方程等。
在数值模拟方面，研究者们采用了不同的数值方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等，对冻土水热耦合方程进行求解和分析。
同时，研究者们还通过实验观测和现场测试等方法，对冻土水热耦合方程进行了验证和修正。
本文采用了理论和数值模拟相结合的方法，对冻土水热耦合方程进行了研究。
基于Richards方程和能量平衡方程，建立了冻土水热耦合方程组。
然后，利用有限元法，对冻土水热耦合方程组进行了离散化和求解。
在数据采集和处理方面，通过实验观测和现场测试等方法，获得了冻土的含水率、温度、力学性质等数据，利用这些数据对冻土水热耦合方程进行了验证和修正。
通过数值模拟和实验数据的分析，本文得到了以下研究结果：冻土水热耦合方程能够有效地描述冻土中水分、热量和力学过程之间的相互关系，预测冻土的含水率、温度和力学性质的变化；利用有限元法对冻土水热耦合方程进行数值模拟，能够得到冻土中水分、热量和力学过程的分布和变化规律，为冻土工程的设计和施工提供重要的参考依据；实验观测和现场测试等方法可以得到冻土的含水率、温度、力学性质等数据，这些数据可以用来验证和修正冻土水热耦合方程。
本文的研究结果具有一定的合理性和局限性。
岩土工程中常用的数值模拟方法综述-岩土工程论文-土木建筑论文
岩土工程中常用的数值模拟方法综述-岩土工程论文-土木建筑论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——岩土工程原理论文第八篇：岩土工程中常用的数值模拟方法综述摘要：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, 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, 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, 是解决岩土工程问题的有效工具.关键词：数值模拟实验; 岩土工程; 应用实例; 参数对比;Application and Prospect of Numerical Simulation Experiment in Geotechnical EngineeringPENG Yanyan LIU Yuhang WANG Tianzuo DU Wei ZHENG ZhibinSchool of Civil Engineering, Shaoxing University Center of Rock Mechanics and Geohazards, Shaoxing UniversityAbstract：This paper introduces the numerical simulation experiment methods commonly used in the analysis of geotechnical engineering problems.Expanded from the basic principles of numerical simulation experiments and typical experimental cases, and through the comparative analysis of traditional analysis methods and numerical analysis methods, the characteristics and application scope of numerical simulation experiments are summarized.The selection and comparison ofparameters are the main problems encountered in the current practical application of numerical simulation experiments.This paper proposes a solution to the comprehensive application of varied numerical simulation methods for the above problem.Numerical simulation experiments, which have broad application prospects in combination with geomechanical model experiments and field engineering verification, are effective tools for solving geotechnical engineering problems..岩土是一般材料, 也是一种地质结构体, 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, 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年始, 人们就利用数值模拟方法对岩土工程问题进行大量研究, 经过60多年的发展, 针对岩土工程问题的数值模拟方法逐渐成熟, 成为岩土工程学科一个重要的研究方向, 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了传统线弹性力学实验, 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, 需要对岩体进行分类:一是基于连续岩体力学的数值模拟, 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, 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, 本文会对上述方法和应用进行总结介绍.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, 加之岩体所处环境也比较复杂, 岩体工程开挖前就受地应力、地下水、周围温度等耦合作用, 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由于岩体的不连续性与非均质性, 实验室岩石试样具有明显的尺寸效应, 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, 也非常艰难.岩体力学原位实验一般耗资巨大, 且受地形、地质、施工条件限制, 得到的实验结果不具代表性, 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数值模拟在岩土工程中的适用范围非常广, 并且节约资金,它不仅能模拟岩体复杂结构特性, 还能研究岩土工程活动对周围环境的影响, 并对工程灾害进行预报.通过对现场原位实验的实测与反分析, 可以获得节理岩体的等效力学模型, 逐步成本较高的原位实验, 加快工程进度, 且可应用于各种地形、地质与施工条件, 推广实验结果的应用范围与使用条件[3].因此用数值模拟的方法来解决岩土工程问题是行之有效的.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, 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, 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, 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, 解方程求其基本未知物理量, 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) , 目前还可考虑流变、温度与应力场耦合, 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, 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, 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, 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, 得到了岩质边坡的滑动面和安全系数, 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 边界元法原理边界元法同有限差分法和有限元法一样, 都是一种用来解决边值问题的数值分析方法, 它可以用来解决弹性力学、塑性力学, 以及热传导、地下水力学等方面的问题, 发展历史悠久, 但直到20世纪60年代后期在计算机技术得到发展时, 边界元法才成为实际可行的一种数值模拟方法[8].由于岩土工程问题的复杂性, 边界元法在1976年才引入到岩土工程中.边界元法是通过求解边界积分的方法来求解边值问题, 在边界元上划分单元, 求边界积分方程的解, 进而求出区域内任意点的场变量, 所以边界元法也称边界积分方程法.边界元法又分以互等功原理为基础的直接法, 和以叠加原理建立起来的间接法.2.2.2 边界元法的应用边界元法和有限元法比起来, 可以用降维的方法来简化计算(三维问题二维化, 二维问题一维化) , 不但计算起来方便, 而且计算精度高, 但是面对非连续、非线性介质问题边界元法则比较难适应.目前边界元法主要在地下工程开挖、土体结构相互作用及地下水流动过程的一般应力和变形分析有着应用.虽然边界元法的适用范围有限, 但是和其他数值方法的联合使用能充分发挥其优越性, 为解决岩土工程问题开辟了新的途径.例如, 在线弹性区域或无限域、半无限域可以采用边界元法, 在非线性的区域采用有限元法, 发挥两种算法各自的优势, 使计算效率及精度得到提高, 对工程实际应用有很大的帮助[9].马天寿等[10]用边界元法对页岩地层井眼坍塌问题进行了分析并得出弹性模量各向异性、水平地应力差异和钻井液密度等对井壁应力分布影响较大, 而泊松比各向异性的影响较小的结论, 如图1.图1 边界元方法解出的井周应力分布图[10]2.3 有限差分法2.3.1 有限差分法原理有限差分方法是以最小势能原理, 通过解方程的方式进行求解.这种方法是一种最古老的求解方程组的数值方法, 在计算机出现以前一般的手摇计算器也可求解.20世纪80年代末由美国ITASCA公司开发的FLAC程序广泛采用差分方法进行求解, 并且在岩土工程数值计算中得到了广泛应用[5].2.3.2 FLAC3D的应用鉴于有限差分法单独在岩土工程中的应用并不多, 一般都是基于有限差分法的FLAC程序进行岩土工程计算, 所以这里讲的是FLAC程序的应用.FLAC程序可用来模拟地质材料的大变形、失稳、动力、流变、支护、建造及开挖等问题, 同时还可以模拟渗流场和温度场对岩土工程的影响.李为腾等[11]解决了FLAC3D中CABLE单元无法实现锚杆(索) 破断失效的问题, 并采用Fish语言编程, 将修正模型嵌入到FLAC3D 主程序中, 实现锚杆破断失效的单元化, 如图2.图2 FLAC模拟修正影响系数随地应力变化曲线[11]2.4 离散元法2.4.1 离散元法原理离散元法是Cundall在1971年所提出来的, 后经Voegele等人的发展, 成为一种新的数值模拟方法[12].离散元法是以牛顿运动定律的显示求解的数值方法, 离散元法也要将区域划分为单元, 但是单元因受节理、劈理等不连续面的控制, 在以后的运动过程中, 单元节点可以分离, 即一个单元与其邻近单元可以接触, 也可以分开.单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出, 而个别单元的运动则完全可以根据单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定[9].2.4.2 离散元法的应用离散单元法可分为动态松弛法和静态松弛法两种.目前常用的大多是动态松弛法.动态松弛法用解决动力学问题的方法去求解非线性静力学问题, 用显式中心差分法近似对运动方程进行积分计算, 并假设块体在运动时将动能转化成热能耗散掉, 把人工黏性阻尼引入计算, 使系统达到平衡状态、运动趋于稳定[13].常晓林等[14]用离散元的方法模拟了岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程.李晓柱等[15]用离散元的方法分析了堆石坝现场碾压实验, 验证离散元数值模拟方法应用于堆石坝碾压特性研究的可行性, 更直观地从细观角度解释堆石体碾压过程中宏观参数(如干密度等) 的变化规律, 为大坝I区堆石料选取科学合理的碾压施工参数, 为堆石体碾压特性研究提供新的途径.王贵君[16]针对国内某高速公路隧道工程, 应用离散单元法对节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞的稳定性及其机理进行了数值模拟.2.5 不连续变形分析法(DDA法)2.5.1 不连续变形分析法原理不连续变形分析方法一般简称DDA法(Discontinuous Deformation Analysis) , 由石根华首创, 基于岩体介质非连续性发展起来的, 以模拟复杂加载条件下离散块体系统不连续大变形的力学行为为目的的一种数值方法[1], 该方法以最小势能原理为基础, 通过解方程的方式求解问题, 适用于发生大变形, 岩体发生非连续破坏的情况.石根华在1988至1989年期间开发了二维DDA程序, 用来进行前处理、正分析、反分析和后处理的计算, 程序包括DDACUT, DDA FOR-WARD, DDA BACKWARD和DDAGRAPH, 4个部分[1].2.5.2 不连续变形分析法的应用DDA法在岩土工程当中主要应用于两个方面:一是在爆破工程研究中的应用, 二是在地下岩体开挖工程中的应用.张丽娟等[17]采用DDA方法对台阶爆破抛掷的全过程进行了模拟分析, 给出了人工边界、爆破荷载的处理算法.邬爱清等[18]利用DDA的方法分析了块体稳定性验证及其在岩质边坡性分析中的应用, 如图3.吴建宏等[19]将DDA法应用在岩石边坡失稳数值仿真当中.图3 DDA计算后块体系统变形与破坏[18]2.6 数值流形法2.6.1 数值流形法原理在1995年, 石根华提出数值流形法(NMM) , 数值流形法是利用现代数学中流形的有限覆盖技术建立起来的一种新的数值计算方法, 将有限元、不连续变形分析(DDA) 和解析方法统一到一种计算方法中, 它吸收了有限元、DDA和解析法各自的优点, 通过分片光滑的覆盖函数, 对连续和非连续问题统一了计算格式, 是一种十分适合于岩土工程分析的数值方法[13].2.6.2 数值流形法的应用数值流形法可同时处理非连续问题与连续问题.但由于网格的连接与单元划分的限制, 数值流形法在开裂计算方面仍存在一定的困难.目前研究主要集中在连续与非连续问题的求解和裂纹扩展的模拟[20].李树忱等[21]充分利用数值流形方法中两套网格的特点, 采用围线积分法来计算应力强度因子和最大周向应力确定裂纹的扩展角, 模拟裂纹的扩展过程.钱莹[22]等利用三角形元素来构成数学网格, 利用流变法来分析爆破振动对边坡动态稳定性的影响, 如图4.图4 流形元模型网格[22]3 数值模拟实验存在的问题及发展尽管数值模拟方法取得了很多研究成果, 但从当前数值模拟在岩土工程中的应用来看, 主要存以下几个问题:(1) 参数选取的问题.无论哪种数值模拟方法都必须准确选定岩石或岩体的物理力学参数.但由于岩体本身与所处环境的复杂性, 确定这些参数并非易事[1], 因此得到的数据和工程实际也有出入.(2) 计算机储存量不足和计算速度受限的问题[23].由于越来越多大型工程的兴建, 当前岩土工程的数值模拟迫切需要发展并行计算方法, 用多核或多联计算机将原有的程序做重构, 以提高计算速度.(3) 岩体进入破坏模式后力学机制发生转变, 数值模拟中的相关破坏准则难以准确描述破坏后的岩体力学行为[24].岩土工程中的数值模拟方法有很多, 每种模拟方法都有其优点, 但也各局限性.要想用单一的方法解决岩土工程问题是不现实的, 为了更好地发挥每一种方法的长处, 多种数值模拟方法综合应用成了近年来岩土工程数值模拟实验的新趋势.如在围岩影响区采用非连续分析法, 在围岩影响区之外的原岩应力区用连续介质分析法.但是要解决两种不同算法在围岩影响区和原岩应力区交界面的位移和应力的协调问题.遗憾的是, 目前专注于上述问题的学者有限, 尚未有突破性进展.4 总结本文介绍了数值模拟实验在岩土工程中的研究进展, 列举了先进的数值模拟实验方法, 并分别介绍了相关原理及在岩土工程中的应用, 最后指出了目前数值模拟实验存在的问题及其发展方向.总而言之, 随着岩土工程规模日益扩大, 对岩土工程建设的科研设计水平和建设精度的要求越来越高, 用数值模拟去解决岩土工程问题是一种有效手段.数值模拟实验对掌握岩土工程围岩应力变化规律和变形破坏规律有重要意义, 能够对实际工程的支护设计提供理论依据.参考文献[1]唐广慧, 刘发祥, 唐升贵, 等.当前岩石力学数值计算方法应用探讨[J].西部探矿工程, 2007 (12) :25-29.[2]李宁, 辛有良.岩石力学数值方法的作用与地位浅析[J].陕西水力发电, 1997 (2) :19-22.[3]李宁, G SWOBODA.当前岩石力学数值方法的几点思考[J].岩石力学与工程学报, 1997 (5) :104-107.[4]朱立仁, 黄玉凯, 焦向东.有限元法在宝日希勒露天煤矿边坡稳定性分析中的应用[J].露天采矿技术, 2011 (5) :7-8+11.[5]佘诗刚, 董陇军.从文献统计分析看中国岩石力学进展[J].岩石力学与工程学报, 2013, 32 (3) :442-4 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