計(jì)算巖土力學(xué)論文

計(jì)算巖土力學(xué)現(xiàn)有軟件及其應(yīng)用情況簡介巖體是一種具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性和非線性的天然地質(zhì)體⑴，由于巖體介質(zhì)的復(fù)雜性，分析邊界和工況的多變，用經(jīng)典力學(xué)求解復(fù)雜的巖體工程問題的解析解已經(jīng)很難，甚至不可能。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法也不斷發(fā)展，并且在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，20世紀(jì)60年和70年代開始出現(xiàn)用于巖土工程穩(wěn)定性計(jì)算的數(shù)值計(jì)算方法，主要是有限元法；20世紀(jì)80年代有限元、邊界元及其混合模型得到廣泛應(yīng)用［2］；20世紀(jì)90年代以來，離散元法、DDA法等方法層出不窮。隨著數(shù)值計(jì)算方法的百花齊放，計(jì)算巖土力學(xué)也從無到有發(fā)展起來，并且根據(jù)不同的計(jì)算方法形成了眾多的計(jì)算軟件，本文主要介紹較為常見且使用較廣的幾款計(jì)算軟件。數(shù)值計(jì)算方法大致分為連續(xù)變形分析方法和非連續(xù)變形分析方法兩大類⑶。連續(xù)變形分析方法主要有：有限單元法（FEM）、有限差分法（FDM）、邊界單元法（BEM）等，其中以有限單元法應(yīng)用最為廣泛；非連續(xù)變形分析方法主要有：離散元法（DEM）、非連續(xù)變形分析（DDA）、流形元法（MM）、無單元法（EFM）等。［4］有限單元法有限元分析中最基本的思想就是單元離散，即將求解區(qū)域剖分為若干單元，把一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)換成為一個(gè)離散的結(jié)構(gòu)物，然后就各單元進(jìn)行分析，最后集成求解整體位移。通用的有限元軟件主要有ABAQUS、ANSYS、COMSOLMultiphysics、ADINA、ALGOR、LS-DYNA、Nastran等，巖土工程專用有限元軟件主要有PLAXIS、MidasGTS、CRISP、Geoslope、GeoStudio、Rocsciences、Z-Soil和SoilVision等，本文僅簡單介紹一些常見的有限元軟件。2.1ABAQUSABAQUS是一款由達(dá)索SIMULIA公司進(jìn)行開發(fā)、維護(hù)及售后的有限元分析軟件，在巖土工程數(shù)值分析方面，ABAQUS具有以下優(yōu)點(diǎn)⑸：1）擁有能夠真實(shí)反映巖土體實(shí)反映土體性狀的本構(gòu)模型，如土體的屈服特性、剪脹特性等。ABAQUS擁有摩爾庫侖棋型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型（修正劍橋模型）等，可以真實(shí)反映巖土體的大部分應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)。2）ABAQUS中包含孔壓單元，可以進(jìn)行飽和土和非飽和土的流體滲透/應(yīng)力耦合分析（如固結(jié)、滲透等），可以進(jìn)行有效應(yīng)力計(jì)算。3）巖土工程數(shù)值分析中必須考慮初始應(yīng)力的作用，ABAQUS專門提供了相應(yīng)的分析步，可以靈活、準(zhǔn)確地建立初始應(yīng)力狀態(tài)。朱向榮⑹等簡單介紹了ABAQUS中的部分土體本構(gòu)模型和工程算例，徐遠(yuǎn)杰［7］等成功在ABAQUS中開發(fā)實(shí)現(xiàn)Duncan-Chang本構(gòu)模型，李春忠⑻等運(yùn)用ABAQUS對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，費(fèi)康⑼等應(yīng)用ABAQUS對土石壩的靜、動(dòng)力進(jìn)行分析，朱訓(xùn)國［10］等利用ABAQUS模擬NATM隧道施工。凡此種種，表明ABAQUS在巖土工程數(shù)值分析的眾多方面應(yīng)用十分廣泛。ANSYSANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，也是目前國際最為流行的有限元分析軟件之一。ANSYS在土木工程行業(yè)的應(yīng)用已擴(kuò)展到各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、靜、動(dòng)力特性等的分析，各種建筑結(jié)構(gòu)一一高層建筑、廠房結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析，隧道等地下結(jié)構(gòu)、大壩等水利工程、橋梁等結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析，場地土的地震反應(yīng)分析，工程結(jié)構(gòu)的可靠度分析，工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等。李向輝uh等利用ANSYS對北京地鐵天安門西站至復(fù)興門站區(qū)間隧道進(jìn)行地震反應(yīng)分析，魏際兵［12］用ANSYS模擬巖質(zhì)高邊坡的開挖與加固，俞曉［13］使用ANSYS模擬深基坑的開挖與支護(hù)，韓春秀［14］等對使用ANSYS分析巖土工程中遇到的若干問題進(jìn)行了探討。相比較ABAQUS，ANSYS在巖土工程中的應(yīng)用相對較少，但ANSYS的多場耦合分析功能可以處理高速變形和高度非線性問題，可以較好地模擬巖土的力學(xué)性能，包括對斷層、夾層、節(jié)理、裂隙和褶皺等地質(zhì)情況的模擬，在某些情況下起到很好的分析效果。COMSOLMultiphysicsCOMSOLMultiphysics是由COMSOL公司研制的一款的多物理場仿真軟件，這款軟件的優(yōu)勢在于多物理場耦合方面，是故在巖土工程方面也經(jīng)常被用于多物理耦合分析。如李利平［15］利用COMSOL計(jì)算開挖條件下突水形成過程的動(dòng)態(tài)演變特征，紀(jì)佑軍us等借助COMSOL模擬隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力場及滲流場的變化規(guī)律，潘俊群us用COMSOL對隧道開挖期間的土力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬。ADINAADINA是目前世界上非線性功能最有效、可靠的分析軟件之一，對于解決巖土工程中的各種非線性問題具有明顯的優(yōu)勢，特別適用于巖土工程中各種隧道的開挖問題、各種地下空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力抗震分析和巖土/滲流/溫度場耦合問題分析。例如張向東［18］等采用ADINA軟件，對鮑家灣隧道的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬；顧俊借助ADINAg建立地鐵隧道三維有限元模型，進(jìn)行地震非線性動(dòng)力特性分析；白凈鈔［20］等利用ADINA對富水破碎圍巖隧道的多種開挖工法進(jìn)行數(shù)值模擬。PLAXISPLAXIS2D/3D程序是由荷蘭PLAXISB.V.公司推出的一系列功能強(qiáng)大的巖土有限元計(jì)算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中，如：大型基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、大型樁筏基礎(chǔ)（橋樁基礎(chǔ)）與鄰近基坑的相互影響、軟土地基固結(jié)排水分析、基坑降水滲流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振動(dòng)及地震荷載作用下的動(dòng)力分析、邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等。比如，唐曉松a等應(yīng)用PLAXIS進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定分析，張如林［22］等基于PLAXIS模擬深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)，趙國芳⑵］等探討PLAXIS在砂性土路基填筑變形研究中的應(yīng)用。有限差分法有限差分法的基本思想是先把問題的定義域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后在網(wǎng)格點(diǎn)上，按適當(dāng)?shù)臄?shù)值微分公式把定解問題中的微商換成差商，從而把原問題離散化為差分格式，進(jìn)而求出數(shù)值解。目前巖土行業(yè)使用較為廣泛的有限差分軟件主要是FLAC2D/3D，在解決大變形問題方面具有有限單元法不可比擬的優(yōu)勢。FLAC2D/3D是由美國ITASCA公司開發(fā)的，F(xiàn)LAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的拓展，研究和應(yīng)用范圍主要集中在以下幾個(gè)方面：1）巖土體的漸進(jìn)破壞和崩塌現(xiàn)象的研究；2）巖體中斷層結(jié)構(gòu)的影響和加固系統(tǒng)的模擬；3）巖土體材料固結(jié)過程的模擬；4）巖土體材料流變現(xiàn)象的研究；5）巖土體的動(dòng)力穩(wěn)定性分析、土與結(jié)構(gòu)的相互作用分析以及液化現(xiàn)象的研究寇曉東也等將FLAC3D應(yīng)用于三峽船閘高邊坡開挖過程的應(yīng)力變形分析和穩(wěn)定分析，張艷剛盜利用FLAC程序?qū)V西寧明地區(qū)膨脹土邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)，張憲堂四］等將FLAC3D應(yīng)用到對海底隧道涌水量的預(yù)測中，周?、疲莸忍岢龌贔LAC2D數(shù)值方法的地層損失率研究，曹茜⑵］借助FLAC3D研究巖溶隧道與溶洞的安全距離。凡此種種，不勝枚舉，F(xiàn)LAC程序廣泛應(yīng)用與巖土工程數(shù)值分析的方方面面。離散元法離散元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。該方法把節(jié)理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動(dòng)。因此，巖體被看作一種不連續(xù)的離散介質(zhì)。其內(nèi)部可存在大位移、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)乃至塊體的分離，從而可以較真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。目前使用較為廣泛的離散元軟件是由ITASCA公司開發(fā)的二維UDEC、三維3DEC和PFC2D/3D等離散元程序。4.1UDECUDEC是UniversalDistinctElementCode的縮寫，即通用離散單元法程序。源于對拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC具備連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇內(nèi)的普遍性分析能力，而離散單元法的核心思想更是賦予UDEC在處理非連續(xù)介質(zhì)環(huán)節(jié)上的本質(zhì)優(yōu)勢，特別適合于固體介質(zhì)在荷載（力荷載、流體、溫度等）作用下靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題的分析，如介質(zhì)運(yùn)動(dòng)、大變形、或破壞行為甚至是破壞過程研究。在巖土工程方面，UDEC基本涵蓋FLAC程序全部應(yīng)用行業(yè)，但較FLAC更有解決優(yōu)勢。應(yīng)用范圍主要集中在介質(zhì)的變形、漸進(jìn)破壞、爆破作用下介質(zhì)破裂擴(kuò)展、動(dòng)力穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)滲透特征等問題上，例如大型高邊坡穩(wěn)定變形機(jī)理、深埋地下工程圍巖破壞、礦山崩落開采等。Rajinder［29］等用UDEC對喜馬拉雅山下的一個(gè)大型洞室變形機(jī)理進(jìn)行研究，探討了不同輸入?yún)?shù)，如節(jié)理間距、節(jié)理本構(gòu)模型等對洞室變形行為和位移的影響；劉亞群［3。］等運(yùn)用UDEC模擬爆破荷載作用下黃麥嶺磷礦采場巖質(zhì)邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了比較；魏東［31］等基于UDEC模擬爆破荷載作用下層狀巖質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞的全過程；陳陸望區(qū)等通過UDEC模擬厚松散層及超薄覆巖條件下某礦工作面4種工況開采防水煤柱覆巖的破壞特征。3DEC3DEC程序承襲了UDEC的基本核心思想，本質(zhì)上是對二維空間離散介質(zhì)力學(xué)描述向三維空間延伸的結(jié)果。相比其他數(shù)值程序，3DEC有如下優(yōu)點(diǎn)：允許塊體產(chǎn)生有限位移、旋轉(zhuǎn)、塊體間能完全分離，自動(dòng)判別各塊體之間的接觸點(diǎn)；可模擬三維剛體或者可變形巖體的力學(xué)行為，可模擬各種巖體介質(zhì)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷下的受力和位移；在非連續(xù)性節(jié)理巖體的行為模擬方面,可使用統(tǒng)計(jì)的方法，將巖橋與節(jié)理平均分配在非連續(xù)性節(jié)理面上；3DEC具有三維巖體模型的顯示能力，可360°旋轉(zhuǎn)模型,觀察巖體受力后的變形情況，并且可以直接顯示應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)果。王濤［33］等采用3DEC計(jì)算地下洞室群的圍巖穩(wěn)定；周家文［34］等分析考慮地震影響下楔體安全系數(shù)計(jì)算在3DEC中的實(shí)現(xiàn)；吳鑫［35］等通過3DEC，針對卸壓孔在不同孔徑下的圍巖變形情況，分析了鉆孔卸壓在深部巷道中的效果。在3DEC之外，王泳嘉貿(mào)］等研制開發(fā)了TRUDEC程序，并對其進(jìn)行了工程驗(yàn)證。PFC2D/3DPFC系列軟件是由ITASCA公司開發(fā)的顆粒流分析程序(ParticleFlowCode)，分為PFC2D、PFC3D兩種，特別用于模擬任意性狀、大小的二維圓盤或三維球體集合體的運(yùn)行及其相互作用的強(qiáng)大顆粒分析程序。除了模擬大體積流動(dòng)和混合材料力學(xué)研究，程序更適合于描述固體材料中細(xì)觀/宏觀裂紋擴(kuò)展、破壞累積并斷裂、破壞沖擊和微震響應(yīng)等問題。PFC與UDEC、3DEC相比，模擬大變形問題時(shí)塊體可受力破壞分離，而UDEC不能模擬塊體的破裂。PFC在巖土工程方面最初研究主要集中在介質(zhì)力學(xué)特性(如本構(gòu))、破裂和破裂擴(kuò)展問題上，后來逐漸擴(kuò)展到大型高邊坡穩(wěn)定、深埋地下工程的破裂損傷、高放核廢料隔離處置的巖體損傷和多場耦合等方面。比如，丁秀麗"等人采用PFC2D軟件建立了土石混合體模型并進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)；張曉平網(wǎng)等人采用PFC3D分析了單軸作用下的巖石強(qiáng)度特性，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合；胡欣雨"等人利用PFC2D模擬泥水盾構(gòu)隧道掘進(jìn)全過程，黏土顆粒用二維圓盤單元模擬，形象展示了失穩(wěn)過程，得到了有效控制失穩(wěn)關(guān)鍵點(diǎn)；扈世民[40]對大斷面黃土隧道破壞模式模擬，形象展示出其破壞過程。結(jié)論與展望考慮到對巖土工程分析對象-巖土材料特性的掌握和分析，同時(shí)巖土工程的邊界條件和初始條件都非常復(fù)雜，巖土工程的分析基本不能夠得到有效的解析解，而巖土工程的數(shù)值分析主要用于復(fù)雜巖土工程問題的定性分析。目前巖土行業(yè)可以使用的數(shù)值分析軟件種類繁多，但仍有較多的數(shù)值方法沒有開發(fā)出有效的商用軟件，應(yīng)用范圍有待拓展。目前絕大部分流行的數(shù)值軟件都由國外公司開發(fā)維護(hù)，我國自主開發(fā)的計(jì)算程序正在逐漸退出巖土工程分析領(lǐng)域，未來我國巖土行業(yè)從業(yè)者應(yīng)大力發(fā)展國產(chǎn)巖土數(shù)值分析軟件。參考文獻(xiàn)[1]夏才初，孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.⑵孫鈞.世紀(jì)之交的巖石力學(xué)研究[J].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第五次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集，1998.陳景濤.巖土工程中的數(shù)值方法[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007,20(12):190-192.JingL,HudsonJA.Numericalmethodsinrockmechanics[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2002,39(4):409-427.費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[J].2010.朱向榮，王金昌.ABAQUS軟件中部分土模型簡介及其工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2004,2.徐遠(yuǎn)杰，王觀琪，李健，等.在ABAQUS中開發(fā)實(shí)現(xiàn)Duncan-Chang本構(gòu)模型[J].巖土力學(xué)，2004,25(7):1032-1036.李春忠，陳國興，樊有維.基于ABAQUS的強(qiáng)度折減有限元法邊坡穩(wěn)定性分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006,26(2):207-212.費(fèi)康，劉漢龍.ABAQUS的二次開發(fā)及在土石壩靜，動(dòng)力分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2010,31(3):881-890.朱訓(xùn)國，楊慶，欒茂田.利用ABAQUS模擬NATM隧道施工過程[J].巖土力學(xué)S,2006,1.李向輝.淺談地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及ANSYS軟件在其中的應(yīng)用[J].礦產(chǎn)勘查，2004(5):55-57.魏際兵.巖質(zhì)高邊坡開挖與加固的ANSYS模擬[D].貴陽：貴州大學(xué),2007.俞曉.深基坑開挖與支護(hù)的模型試驗(yàn)與ANSYS分析研究[D][D].武漢理工大學(xué),2005.韓春秀，董羽蕙.用ANSYS軟件分析不同巖土工程問題的若干思考[J].四川建筑科學(xué)研究，2007,33(1):129-133.李利平.高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道突水災(zāi)變演化機(jī)理及其應(yīng)用研究[D][D].山東：山東大學(xué),2009.紀(jì)佑軍，劉建軍，程林松.考慮流-固耦合的隧道開挖數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2011,32(4):1229-1233.潘俊群.基于COMSOLMultiphysics的隧洞開挖數(shù)值模擬[J].中國水運(yùn)：下半月，2015(7):94-96.張向東，周軍霞，單春雨.ADINA在隧道開挖中的數(shù)值模擬應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007,7(17):30-31.顧俊.地鐵隧道結(jié)構(gòu)地震非線性動(dòng)力響應(yīng)分析[D].南京：河海大學(xué),2007.白凈鈔，馬德芹，巫明健.富水破碎圍巖隧道施工工法ADINA數(shù)值模擬[J].科技視界,2013(28):5-6.唐曉松，鄭穎人，鄔愛清.應(yīng)用PLAXIS有限元程序進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2006,23(4):13-16.張如林，徐奴文.基于PLAXIS的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬[J].多吉橫工程白幣，2010,26(2):131-136.趙國芳，嚴(yán)戰(zhàn)友，卜建清.PLAXIS軟件在砂性土路基填筑變形研究中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2009(8):100-102.寇曉東，周維垣，楊若瓊.FLAC-3D進(jìn)行三峽船閘高邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(1):6-10.張艷剛.膨脹土邊坡穩(wěn)定性的FLAC分析一一南友高速公路寧明段膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究[D].廣西大學(xué),2005.張憲堂，王洪立，周紅敏，等.FLAC3D在海底隧道涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),1.周健，陸麗君，賈敏才.基于FLAC2D數(shù)值方法的盾構(gòu)隧道地層損失率研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014,10(4):902-907.曹茜.巖溶隧道與溶洞的安全距離研究[D][D].北京：北京交通大學(xué),2010.BhasinR,HoegK.Parametricstudyforalargecaverninjointedrockusingadistinctelementmodel(UDEC—BB)[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1998,35(1):17-29.劉亞群，李海波，李俊如，等