下载文档原格式
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。
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。
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。
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。
岩土工程数值方法摘要：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: gradually developed some geotechnical analysis method and mathematical theory, such as information method, the analytic hierarchy process (ahp), random simulation method, the numerical manifold method, no network, discrete element method, fractal theory, reliability analysis, artificial neural network and intelligent rock mechanics etc, has presented a comprehensive application trend, for research in rock mechanics, rock failure process of rock mass progressive, the existence of the internal initial damage and block the discontinuous characteristics between is must consider factors so based on continuum mechanics on the basis of the traditional finite element method has obvious limitation. All kinds of the emerging of the new method from different aspects promote the rock mechanics numerical calculation method of progress.Keywords: geotechnical numerical simulation finite element method without network petro-galerkin method was expanded numerical manifold method finite element method of discrete element method中图分类号：O241 文献标识码：A文章编号：岩土数值模拟是否正确，其解决问题的重要基础仍然是地质工作，“地质体运动真实行为的理解比精确计算更为重要”。
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。
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 .[6]刘庭金, 朱合华, 唐春安.围岩卸载损伤演化及应力场调整有限元分析[J].地下空间, 2002 (4) :310-313+319-371.[7]郑颖人, 赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2004 (19) :3381-3388.[8]王泳嘉.边界元法在岩石力学中的应用[J].岩石力学与工程学报, 1986 (2) :205-222.[9]鄢建华, 汤雷.水工地下工程围岩稳定性分析方法现状与发展[J].岩土力学, 2003 (S2) :681-686.[10]马天寿, 陈平.应用边界元法分析页岩地层井眼坍塌问题[J].中南大学学报(自然科学版) , 2016, 47 (3) :839-849.[11]李为腾, 杨宁, 李廷春, 等.FLAC3D中锚杆破断失效的实现及应用[J].岩石力学与工程学报, 2016, 35 (4) :753-767.[12]王泳嘉.离散元法及其在岩石力学中的应用[J].金属矿山, 1986 (8) :13-17+5.[13]孔德森, 栾茂田.岩土力学数值分析方法研究[J].岩土工程技术, 2005 (5) :249-253.[14]常晓林, 胡超, 马刚, 等.模拟岩体失效全过程的连续-非连续变形体离散元方法及应用[J].岩石力学与工程学报, 2011, 30 (10) :2004-2011.[15]李晓柱, 刘洋, 吴顺川.堆石坝现场碾压试验与离散元数值分析[J].岩石力学与工程学报, 2013, 32 (S2) :3123-3133[16]王贵君.节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞稳定性的离散元法数值分析[J].岩石力学与工程学报, 2004 (7) :1154-1157.[17]张丽娟, 查珑珑, 郭剑鸿.非连续变形分析(DDA) 法及在岩石力学中的应用[J].山西建筑, 2009, 35 (8) :3-5.[18]邬爱清, 丁秀丽, 卢波, 等.DDA方法块体稳定性验证及其在岩质边坡稳定性分析中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2008 (4) :6 -672.[19]吴建宏, 大西有三, 石根华, 等.三维非连续变形分析(3D DDA) 理论及其在岩石边坡失稳数值仿真中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2003 (6) :937-942.[20]王书法, 朱维申, 李术才, 等.加锚岩体变形分析的数值流形方法[J].岩石力学与工程学报, 2002 (8) :1120-1123.[21]李树忱, 程玉民.数值流形方法及其在岩石力学中的应用[J].力学进展, 2004 (4) :446-454.[22]钱莹, 杨军.流形元法分析爆破振动对边坡动态稳定性影响[J].有色金属(矿山部分) , 2007 (5) :35-38.[23]朱维申, 赵成龙, 周浩, 等.当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识[J].岩石力学与工程学报, 2015, 34 (4) : 9-658.[24]彭岩岩.层状岩体深部巷道变形破坏物理模拟及红外探测研究[D]. :中国矿业大学, 2015.。
