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第11章工程地质模拟与评价11.1 概述模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段。
几十年来，工程地质工作者在充分吸取相关学科先进研究成果的基础上，结合大量工程实践，形成了重视工程地质原型研究，以工程地质模型为基础的工程地质模拟和方法。
模拟研究按采用的手段可分为数值模拟与物理模拟两大类型。
数值模拟主要包括有限元、边界元和离散元等方法；物理模拟包括光弹模拟、电模拟和相似材料地质力学模拟试验等。
模拟研究的基本任务是通过再现复杂工程地质现象的形成和演化过程，对以下问题进行论证：①验证地质分析所建立的机制模型或概念模型是否符合实际，并对其演化机制进行深入的量化分析；②量化评价地质现象演化过程中，各主要控制要素之间及其与主导内、外作用力间的相互关系，论证所建立的分析评价模型是否合理；③量化评价地质现象或过程在所处环境条件下的演化和发展趋势，论证所建立的预测模型是否可信；④量化评价工程设计或治理措施的效果，论证拟订的对策和方案是否有效和优化。
现代工程建设的规模越来越大，场地条件也越来越复杂，工程地质问题也越来越复杂。
随着电子计算机的广泛使用和量测技术的发展，解决工程地质问题的数值模拟和物理模拟的理论和方法发展迅速，使得解决的工程地质问题更加广泛，研究的课题更加深入。
一方面，飞速发展的工程地质学不断地提出新的难题，用现成的数学、力学理论对其无法作出确切的描述，工程地质模拟为解决这类问题提供了可能的手段；另一方面，模拟方法的不断成功应用，深化了人们对许多工程地质现象的理解，有力地推动了工程地质学科的定量化进程。
工程地质评价就是通过一定的勘察手段，应用工程地质学及其它相关学科的原理方法、分析与工程相关联地质体的性质、特征以及各种特征之间的相互关系，从而评价工程地质条件或地质环境对工程建筑物的适宜程度以及相关的工程地质问题。
其结果可直接为工程设计提供有关参数和相关设计依据。
工程地质问题的复杂性给工程地质的评价造成了极大的困难。
工程地质数值模拟体会心得作为一名工程地质专业的学生，数值模拟是我们学习的重点之一。
在学习中，我逐渐领会到了数值模拟的重要性和它给我们带来的帮助。
首先，数值模拟可以帮我们更好地了解地质情况。
通过建立数学模型和相应的计算方法，可以模拟出在不同工况下的地质参数分布情况，比如地质体的应力、应变、位移等，进一步了解地质体的力学特性。
通过模拟，我们可以快速准确地了解工程地质的形势，为我们的工程设计提供重要参考。
其次，数值模拟可以为我们的工程设计提供理论支持。
在进行工程设计时，我们需要考虑地质情况对工程的影响。
通过数值模拟，我们可以获取更加精确的地质参数分布情况，为工程的设计和施工提供更加全面的理论支持，避免在工程实施中出现不必要的问题。
最后，数值模拟可以帮我们提高对地质问题的认识和了解。
通过对不同工况下地质参数的变化进行数值模拟，我们可以对地质声镜头有更深入的理解，了解地质问题的本质，加深对工程地质专业的认识。
总之，工程地质数值模拟技术对于我们来说是不可或缺的。
通过数值模拟，我们可以更加深入地了解地质情况，为工程设计提供理论支持，并且提升我们对工程地质的认知。
同时，在工程实施中，我们也需要注重数据的真实性和可靠性，确保我们的数值模拟结果能真正为工程建设提供帮助，促进工程建设水平的不断提高。
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。
工程地质评价的采用方法
工程地质评价的采用方法主要包括以下几个方面：
1. 地质调查：通过现场踏勘、测量、取样、试验等方法，收集工程区域的地质资料，包括地层、岩性、构造、水文地质条件等。
2. 地质勘探：通过钻探、物探、槽探等方法，对地下地质情况进行勘探，进一步了解地层岩性、地质构造、地下水情况等。
3. 地质分析：运用地质学的理论和方法，对收集到的地质资料进行分析，包括地层序列分析、岩石物理力学性质分析、地质构造分析等，以揭示工程区域的地质特征和规律。
4. 工程地质评价：在地质调查、勘探和地质分析的基础上，对工程区域的地质条件进行评价。
评价内容包括地基稳定性评价、边坡稳定性评价、地下水影响评价等，以确定工程建设的适宜性和可行性。
5. 数值模拟：运用数值模拟方法，对工程区域的地质条件进行模拟和分析。
通过数值模拟，可以预测工程建设可能引起的地质变化和工程问题，为工程设计和施工提供依据。
6. 经验总结：在长期实践过程中，不断积累和总结工程地质评价的经验和方法。
通过对经验的总结和归纳，可以提高工程地质评价的准确性和效率。
总之，工程地质评价是工程建设中的重要环节，需要采用多种方法进行综合分析和评价。
只有全面了解工程区域的地质条件，才能为工程建设提供可靠的依据和支持。
岩土工程数值法班级：63专业：隧道与地下工程姓名：学号：630吉林大学建设工程学院年月日目录一、问题提出 (3)二、围岩离散化 (4)三、数据准备 (5)四、计算过程 (6)五、结果初步分析 (7)六、图形 (7)七、隧道开挖对围岩的影响 (10)八、结语 (12)九、参考文献 (12)随着我国经济快速发展，各种隧道、公路、铁路、房屋以及其它基础设施进入了一个高速建设的阶段，随之而来的是土木工程的跨越式发展。
土木工程的设计和研究手段也有了很大的提高，从以前的基于经验的设计理论逐渐过渡到定量与定性相结合的反分析计算理论。
目前为止，土木工程的研究方法主要有以下五类：类比法；解析法；模型模拟（物理模型方法）；现场监控量测；数值法（数值模拟）。
通过岩土工程数值法这门课程，我们系统的学习了数值法中的有限单元法的原理以及它在岩土工程中的应用。
随着计算机的普及和运算速度的提升，为弹性力学的数值解法开辟了广阔的领域，尤其在隧道工程中，采用有限单元法分析都得到了满意的结果。
目前，有限单元法已经是解决不同岩体结构、围岩与支护相互作用、隧道围岩压力、围岩应力和变形、围岩破坏过程与破坏机制的主要方法。
本文将针对一个隧道开挖实例，应用有限单元法进行位移、应力等相关参数的分析。
一、问题提出在岩土体中修建隧道是一件十分复杂的工程。
因为岩土体是地壳内外力长期作用下形成的一种复杂的地质体，具有天然应力、非均质、不连续、各向异性等特点，从而表现在力学性质上具有非线性、剪胀性、蠕变性等。
而有限单元法可以将岩土体复杂多变的力学性质，基本地质因素、复杂和混合的边界条件、岩土体与工程结构物的组合作用等问题统筹考虑，以得到接近实际的数值解答。
目前，隧道施工和设计都是基于“新奥法”，新奥法的核心是充分发挥围岩的承载能力，将围岩视为承载的主体。
随之而来的是如何确定围岩收敛的极限位移，如何确定衬砌的支护时间，如何判定围岩应力的集中程度等问题。
本文基于以下条件进行隧道开挖后的围岩进行分析。
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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边坡稳定性分析方法
1.等效悬臂梁法：该方法是最早推广的边坡稳定性分析方法之一、将
边坡抽象成一个悬臂梁，通过计算边坡的抗滑力矩和倾覆力矩，确定边坡
的稳定状态。
该方法适用于边坡高度较小、悬臂梁较直的情况。
2.经验法：根据已有的边坡稳定性分析案例，总结出一些经验公式或
图表，通过输入边坡的几何参数和工程地质条件，计算边坡的安全系数。
这种方法适用于规模较小、地质条件复杂的边坡。
3.数值法：数值法是目前边坡稳定性分析最常用的方法之一、其基本
思想是根据边坡的地质条件和荷载情况，建立边坡的力学模型，通过有限
元分析或边坡位移法，计算边坡的安全系数。
数值法适用于边坡规模较大、复杂地质条件的情况，具有较高的精度和灵活性。
4.解析法：解析法是一种应用解析力学理论和方法对边坡进行稳定性
分析的方法。
将边坡看作一个弹性体，根据弹性理论计算边坡内应力和位
移分布，通过确定边坡的破坏面和荷载分布，计算边坡的稳定系数。
解析
法适用于边坡规模较小、坡度较小、土体性质均匀的情况。
5.随机法：随机法是一种适用于复杂地质条件的边坡稳定性分析方法。
该方法通过随机参数的模拟和概率统计，对边坡进行稳定性分析，并得出
边坡的可靠度和设计部位的取值范围。
随机法能够考虑不确定性因素对边
坡稳定性的影响，提高了边坡分析结果的可靠性。
在进行边坡稳定性分析时，需要依据工程的实际情况和要求选择合适
的分析方法。
此外，还需注意边坡地质勘察的精确性和工程设计的合理性，以确保分析结果的准确性和可靠性。
岩土工程数值方法发表时间：2018-07-25T16:28:04.553Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第7期作者：林杰[导读] 逐渐发展起来的一些岩土分析手段与数学理论，如信息量法、层次分析法、随机模拟法、无网络法林杰广东金山河建筑基础工程有限公司 523000 摘要：逐渐发展起来的一些岩土分析手段与数学理论，如信息量法、层次分析法、随机模拟法、无网络法、数值流形法、离散元法、分形理论、可靠度分析、人工神经元网络和智能岩石力学等，已经呈现出综合应用的趋势，对于岩体力学研究而言，岩石破坏过程的渐进性、岩体内部初始损伤的存在及块体之间的不连续特征是必须考虑的因素，因此建立在连续介质力学基础上的传统有限单元法具有明显的局限性。
各种新方法的涌现从不同方面推动了岩石力学数值计算方法的进步。
文网 http：//www.x 关键词：岩土工程；数值分析；方法在解决不同的岩土工程问题时，基本方程中的运动微分方程、有效力原理、连续方程和几何方程的表达式基本相同；但方程却与前几种有着较大的差异" 当涉及到具体的岩土工程问题时，我们可以根据具体的边界条件以及相关的初始条件来解决上述问题，所采用的方法一般为数值分析法" 通过以上论述我们可以发现，岩土工程一般都需借助数值分析法进行解决。
下面我们了解这门科学。
一、数值分析在岩上工程中的地位众所周知，岩土是自然的产物，具有较强的区域性，初始应力也较难预测，在分析岩土工程时，首先需要掌握的就是工程的地质条件，此外还要掌握岩上的工程性质，再者需要掌握的就是力学中一些最为基木的概念，并且能够在此基础上利用公式以及数值分析方法来解决问题、在计算时，需要能够做到因地制宜，要能够对具体问题做出具体的分析，然后将得出的结论运用到工程建设之中；在实际的岩土分析过程中，数值分析所得出的结果对于工程师的综合判断而言是极其重要的。
在实际的操作之中，在对岩土工程的对象进行分析时要做好岩土材料特性的分析工作，还要注意结合岩土工程的初始条件以及边际条件进行综合的分析；就目前的岩土分析发展状况而言，还不能得出具体的解析解，只能适用于定向分析，岩土工程在进行设计时要将重点要放在概念设计上，并且参照岩土工程师的判断结果，岩土数值分析所得出的结果也是岩土分析的关键参数。
地质构造数值模型
地质构造数值模型是利用计算机软件模拟地质构造演化的一种方法。
它可以用于研究地质构造的形成、演化和影响，以及预测地质构造的未来变化。
地质构造数值模型的建立需要以下步骤：
1.建立地质模型：地质模型是地质构造数值模型的基础。
它可以根据地质数据，
如地质图、地震资料、岩石物理数据等建立。
2.选择物理模型：地质构造数值模型需要选择合适的物理模型。
物理模型描述
了地质构造演化过程中的物理过程，如应力、应变、流体运动等。
3.选择数值方法：地质构造数值模型需要选择合适的数值方法。
数值方法用于
求解物理模型中的数学方程。
4.进行计算：根据地质模型、物理模型和数值方法，进行计算。
地质构造数值模型可以分为以下几种类型：
1.弹性模型：弹性模型假设地质体是弹性体的，可以承受应力。
弹性模型可以
用于研究地质构造的弹性变形。
2.粘弹性模型：粘弹性模型假设地质体是粘弹性体的，可以承受应力和应变。
粘弹性模型可以用于研究地质构造的长期变形。
3.流体模型：流体模型假设地质体是流体体，可以流动。
流体模型可以用于研
究地质构造的流体运动。
地质构造数值模型具有以下优点：
1.可以模拟地质构造的演化过程，从而为地质构造的研究提供新的思路。
2.可以预测地质构造的未来变化，从而为地质灾害的防治提供指导。
地质构造数值模型也存在以下缺点：
1.需要大量的地质数据和计算资源。
2.模型的结果取决于模型的假设和参数。
岩土工程数值方法刘兴隆厉梅（山东正元建设工程有限责任公司山东济南250101）摘要：逐渐发展起来的一些岩土分析手段与数学理论，如信息量法、层次分析法、随机模拟法、无网络法、数值流形法、离散元法、分形理论、可靠度分析、人工神经元网络和智能岩石力学等，已经呈现出综合应用的趋势，对于岩体力学研究而言，岩石破坏过程的渐进性、岩体内部初始损伤的存在及块体之间的不连续特征是必须考虑的因素，因此建立在连续介质力学基础上的传统有限单元法具有明显的局限性。各种新方法的涌现从不同方面推动了岩石力学数值计算方法的进步。关键词：岩土数值模拟有限元法无网络伽辽金法扩展有限元法数值流形法离散元法Abstract:graduallydevelopedsomegeotechnicalanalysismethodandmathematicaltheory,suchasinformationmethod,theanalytichierarchyprocess(ahp),randomsimulationmethod,thenumericalmanifoldmethod,nonetwork,discreteelementmethod,fractaltheory,reliabilityanalysis,artificialneuralnetworkandintelligentrockmechanicsetc,haspresentedacomprehensiveapplicationtrend,forresearchinrockmechanics,rockfailureprocessofrockmassprogressive,theexistenceoftheinternalinitialdamageandblockthediscontinuouscharacteristicsbetweenismustconsiderfactorssobasedoncontinuummechanicsonthebasisofthetraditionalfiniteelementmethodhasobviouslimitation.Allkindsoftheemergingofthenewmethodfromdifferentaspectspromotetherockmechanicsnumericalcalculationmethodofprogress.Keywords:geotechnicalnumericalsimulationfiniteelementmethodwithoutnetworkpetro-galerkinmethodwasexpandednumericalmanifoldmethodfiniteelementmethodofdiscreteelementmethod
岩土工程中的数值模拟技术研究岩土工程是研究地质体力学特性、地下水流特性、岩土工程特性、地质灾害及其治理的综合学科。
随着科学技术的不断发展，岩土工程的研究和实践领域不断扩大，扩展至新工程领域，并取得了许多成果。
其中，数值模拟技术在岩土工程中的应用受到越来越多的重视。
一、数值模拟技术在岩土工程中的应用数值模拟技术是指采用计算机模拟的方法，以数值分析为基础，对复杂的系统或者过程进行研究和分析的一种方法。
在岩土工程中，数值模拟技术可以应用于以下方面：1. 地下水模拟地下水模拟是指研究地下水流动规律及其对地下水环境产生的影响的过程。
在岩土工程中，地下水模拟主要用于污染物扩散、水文演变、地下水开采和注入等方面的研究。
2. 岩土体力学模拟岩土体力学模拟是指通过数值模拟方法，研究岩土体受力下的变形、破坏及稳定性等问题。
在岩土工程中，岩土体力学模拟主要用于掌握岩土材料力学性质、工程地质问题、岩土工程结构的安全性等方面的问题。
3. 土木工程振动模拟土木工程振动模拟是指研究建筑物、道路等土木工程在震动环境下的响应情况。
在岩土工程中，土木工程振动模拟可以用于确定建筑物的稳定性、隧道的稳定性、出土条件等问题。
4. 土体地震响应模拟土体地震响应模拟是指研究土壤在地震作用下的响应情况，并预测其可能产生的破坏和灾害。
在岩土工程中，土体地震响应模拟可以用于判断震源与岩石结构是否合适，并进行地震灾害等方面的评估。
5. 岩土工程设计优化岩土工程设计优化是指利用数值模拟方法，通过对各种方案的分析比较，寻求满足需求的最佳设计方案。
在岩土工程中，岩土工程设计优化可以用于优化大型工程的建设、加强岩土安全等方面的工程需求。
二、数值模拟技术在岩土工程中的特点数值模拟技术应用于岩土工程之中，具有以下几个方面的特点：1. 系统性数值模拟技术可以组合多种物理场、研究多个问题，对于复杂问题的分析和解决具有很强的系统性。
2. 可重复性数值模拟技术公式的精确度往往比实物测试高，且因为模拟时测量和分析都用计算机，所以测试的结果也更加稳定，形成的数据也较为可靠。
岩土力学中的数值分析算法研究岩土力学是土木工程中非常重要的一个学科，它主要研究土体和岩石等地质物质力学特性及其应用。
在岩土力学中，数值分析算法是一个非常重要的领域，它可以帮助研究人员通过计算机模拟来进行对地质物质特性的研究和分析。
本文将对岩土力学中的数值分析算法进行探讨和研究。
一、有限元法有限元法是岩土力学中非常常用的一种数值分析方法。
它通过将一个连续体分成若干个小单元，再通过数学模型建立单元之间的关系，最终求解整个连续体的力学行为。
有限元法解决了很多复杂问题，如土壤和岩石的弯曲、扭转、抗剪等问题，可以更加真实的模拟地面行为。
同时，有限元法也能够分析非线性问题，如岩土体破坏行为和稳定性分析等问题。
二、边界元法边界元法是将求解问题只限制在问题边界上的数值分析方法。
与有限元法不同的是，边界元法直接计算边界上的应力分布，并进而推导出其他位置上的应力场分布。
由于边界元法不需要将整个域剖分为单元，在处理大规模地质问题时具有很大的优势。
而且，边界元法的精度高，可行性好，越来越多的石材和地质问题的研究都利用了边界元法。
三、离散元法离散元法是岩土力学中一种新兴而又广泛应用的数值分析方法。
它考虑了岩土物质内部的颗粒之间的相互作用，通过一种离散的方式表示这些颗粒的运动和相互作用，从而模拟物质的力学性质。
因此，离散元法非常适合用于研究断裂、塌陷、滑坡等问题。
离散元法的研究涉及到一些计算难度较大的问题，如强项多度、非对称、非线性和循环变形等。
对于这些问题，前沿研究成果尚在发展中，研究人员需要不断探索和努力。
四、计算流体力学方法计算流体力学方法也可以应用于岩土力学中。
它主要研究流体力学的理论和计算方法，同时也可以使用数值模拟来研究流体-岩体相互作用等问题。
它的研究对象包括土体、岩体中的液体和气体等流体系统。
使用计算流体力学方法可以有效地研究液体或气体流动导致的地质变化和地质灾害。
而且，计算流体力学方法可以在短时间内进行复杂的计算，可以方便地改变模型中的参数，加快研究进程。
某路基工程施工过程数值模拟 摘 要 本文首先对FLAC3D软件进行了介绍，简明阐述了其特点、应用范围及不足；然后结合具体路堤工程，采用FLAC3D软件对施工过程进行了模拟，生成了初始竖向和水平应力云图、第一次填筑及填筑结束时的沉降云图及水平位移云图；最后生成了路基中心点和坡脚节点的沉降曲线。
关键词：FLAC3D；数值模拟；应力云图；沉降云图；位移云图 1 FLAC3D的功能与特性 自R.W.Clough 1965年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的出现及其计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能，也使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流方法之一。数值模拟技术的优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围，为分析人员洞悉岩体、土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。FLAC系列软件的出现，为岩土工程研究工作者提供了一款功能强大的数值模拟工具。
1.1 FLAC3D主要特点 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析，是该公司旗下最知名的软件系统之一，FLAC目前已在全球七十多个国家得到广泛应用，在国际土木工程（尤其是岩土工程）学术界和工业界享有盛誉。 FLAC3D界面简洁明了，特点鲜明。其使用特征主要表现为：命令驱动模式、专一性、开放性。作为有限差分软件，相对于其他有限元软件，在算法上，FLAC3D有以下几个优点：采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动，比有限元中通常采用的“离散集成法”更准确、合理；即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解，这使得FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍；采用显示差分法求解微分方程。采用FLAC3D进行数值模拟时，必须指定有限差分网格、本构关系和材料特性、边界和初始条件，这是FLAC3D求解的一般流程。 1.2 FLAC3D的应用范围 FLAC3D的应用范围已拓展到土木建筑、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程等领域，成为这些专业领域进行分析和设计不可或缺的工具。其研究范围主要集中在以下几个方面： 岩体、土体的渐进破坏和崩塌现象的研究； 岩体中断层结构的影响和加固系统（如喷锚支护、喷射混凝土等）的模拟研究； 岩体、土体材料固结过程的模拟研究； 岩体、土体材料流变现象的研究； 高放射性废料的地下存储效果的研究分析； 岩体、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究； 岩体、土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象的研究等。
1.3 FLAC3D的不足 毋庸置疑，FLAC3D是十分优秀的岩土工程数值模拟软件，其实用性和专业性得到了广泛证实。但FLAC3D也存在着诸多不足，主要集中在以下几个方面： 求解时间受网格尺寸影响很大； 某些模式下的计算求解时间很长； 前处理功能较弱。 FLAC3D对于复杂三维模型的建立仍然十分困难。
2 某路基工程施工过程模拟 2.1工程概况 该路基工程地基计算深度为50m，分为两层，上部为回填土，厚度10m，下部为粘土，厚度40m；路基计算宽度为200m，填筑高度为5m，坡度为1:1.5。各土层物理、力学参数见表1。 图1 路堤施工几何模型 表1 各土层物理力学参数 土层名称 ρ/kg·m-3 c /kPa φ / (°) E /MPa ν 回填土 1500 10 15 8.0 0.33 粘 土 1800 20 20 4.0 0.33
2.2模型建立 由于几何模型具有对称性，可以采用1/2模型进行分析。首先建立坐标系，坐标系的原点O设置在地基表面与模型对称轴的交点，水平向右为X方向，竖直向上为Z方向，垂直于分析平面的方向为Y方向。 网格的建立按照分区域建模的思路进行，如图2所示。由于路基坡脚的位置存在一个关键点，所以将模型划分成5个矩形区域，对每个区域按照控制点利用brick单元建立网格，并进行分组后赋值。考虑到网格尺寸的一致性， Y方向只设置一个单元，该方向单元尺寸为5m。 图2 模型网格建立思路 网格建立以后，首先设置边界条件。对底部边界节点的X、Y、Z三个方向的速度进行约束，相当于固定支座，对X两侧的边界进行水平速度约束。由于Y方向只设置一个单元长度，所以对模型中所有节点的Y方向速度均进行约束，相当于进行平面应变分析。
2.3初始应力计算 在路基施工前，需要将路基部分网格赋值为空模型，而将地基部分的网格赋值为Mohr模型。由于实例中存在null模型，不能采用solve elastic的求解方法获得初始应力，所以采用分阶段的弹塑性求解方法。先将Mohr模型的凝聚力c值和抗拉强度σt赋值为无穷大进行求解，保证在重力作用下单元不至于发生屈服，然后再将Mohr模型参数赋值为真实值，再进行求解。 FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 1888 Model Perspective17:55:28 Mon Apr 21 2014
Center: X: 5.000e+001 Y: 2.500e+000 Z: -2.500e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 2.790e+002Mag.: 1Ang.: 22.500
Contour of SZZ Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-8.5283e+005 to -8.0000e+005-8.0000e+005 to -7.0000e+005-7.0000e+005 to -6.0000e+005-6.0000e+005 to -5.0000e+005-5.0000e+005 to -4.0000e+005-4.0000e+005 to -3.0000e+005-3.0000e+005 to -2.0000e+005-2.0000e+005 to -1.0000e+005-1.0000e+005 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 9.7702e+000 Interval = 1.0e+005
图3 初始竖向应力云图 FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 1888 Model Perspective17:55:56 Mon Apr 21 2014
Center: X: 5.000e+001 Y: 2.500e+000 Z: -2.500e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 2.790e+002Mag.: 1Ang.: 22.500
Contour of SXX Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation-4.1992e+005 to -4.0000e+005-4.0000e+005 to -3.5000e+005-3.5000e+005 to -3.0000e+005-3.0000e+005 to -2.5000e+005-2.5000e+005 to -2.0000e+005-2.0000e+005 to -1.5000e+005-1.5000e+005 to -1.0000e+005-1.0000e+005 to -5.0000e+004-5.0000e+004 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 1.8693e+001 Interval = 5.0e+004
图4 初始水平应力云图 图3和图4为初始应力计算结束时得到的竖向应力和水平应力云图，可以发现最大竖向应力值为85.3kPa，最大水平应力值为42.0kPa，静止侧压力系数约为0.5，与理论计算值基本一致。
2.4施工过程模拟 在进行路基施工模拟前要将初始应力计算过程中产生的节点位移和速度进行清零处理。因本工程路基高度为5m，高度方向共划分了5个单元，为了模拟路基填筑的施工过程，采用分级加载的方法激活路基单元，每次激活1m高度的单元，相当于每次填土高度为1m，分5次填筑完成，每次填土进行一次求解。 FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 4283 Model Perspective22:08:13 Mon Apr 21 2014
Center: X: 5.000e+001 Y: 2.500e+000 Z: -2.250e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 2.790e+002Mag.: 1Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement Magfac = 0.000e+000-1.1151e-001 to -1.0000e-001-1.0000e-001 to -8.0000e-002-8.0000e-002 to -6.0000e-002-6.0000e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0333e-003 Interval = 2.0e-002
图5 第一次填筑结束时的沉降云图
