《岩土力学数值方法》结课论文

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1、岩土力学数值方法的应用及发展前景班级：硕研14级4班姓名：吴纪达学号：140431055专业方向：结构工程1引言随着计算机技术进入各个学科领域，近年来2；•土力学数值分析方法冇了迅速的发展，越來越多的生产、没计和科研部门采川数值方法对岩土工程进行分析，出现了一系列的数值方法，这些数位方法可人致分为迕续变形分析力_法和非迕续变形分析力_法两人类。木文简要讨论了目前已较为成熟应用于岩土工程屮的多种数位方法，介绍了最新尝试疢用于岩土工程屮儿种新的数值方法，并在此基础上对今后岩土工程数值方法的发展作了一些展银。分析了采用连续介质力学分析沿土工程问题的关键，并W论分析了岩土本

2、构理论发展现状，提出对沿土本构理论发展方向的思考，最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明，岩十T程数值分析结果是岩土T程师在岩土丁.程分析过程屮进行综合判断的熏要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验冰能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。2岩土工程中当前较为常用的几种数值方法2.1有限单元法柯限元法自20世纪7()年代提出发展至今，已经相当成熟，是目前最广泛使用的数位方法之一。有限元分析吋以处理釔杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性，还

3、可以冇效地模拟材料的非线性应力应变关系，得到围沿的整体应力场、位移场，而得出围岩的可能破坏部位，讨对围岩的力学特性奋全面了解。何如何从奋限元分析的结果得出合适的衡景围岩稳定程度的定量指标还需进一步研究。有限单元法也遇到Y本身不可克服的闲难，如在前处理困难，计算应力应变解答不连续，难以进行任意路径开裂汁算等。2.2界面单元有限元法为Y推广有限单元法，使其能够处理简中的非连续问题，人们提出丫各种能够反映非连续变形性质的简单力学模型和特殊界面单元，丼将其应川于单一性非连续界面力学行为的模拟中。界面单元有限元法将岩土介质视为准连续介质，仍以连续分析为主，但可以对个別ft有控

4、制作用的宏观非连续而的变形与破坏力学行为进行重点分析，在工程屮得到了广泛应用。同时，该方法也存在诸多的局限性，如只能对原牛.的非连续界面进行计算，对次牛.的非连续界面无法进行处理、界面单元数B不能设S太多、界面弹簧刚度的选取较为W难等。因此，该方法在处理复杂的非连续变形问题吋仍显得无能为力。2.3离散元法(DEM)、块体理论及刚体有限元法这是分析多节理岩体的另一类重要方法。在这类方法中通常把岩体当成是由竹理切割的岩块组成的结构体。离散元法、块体理论、刚体冇限元法是三种冇代表性的不连续块体方法。离散单元法是Ctmdall于1971年捉出來的，该方法与在时域中进行的艽他

5、显示计算相似例如与解抛物线型偏微分方程的显示差分格式相似。离散单元法也像备限单元法那样将K域划分成单元。似足单元因受节理等不连续而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适合节理岩体的应力分析。单元之间相互作川的力可以根裾力和位移的关系求出而个别单元的运动则完全根裾单元所受的不平衡力和不平衡力矩的人小按牛顿运动定律确定。其基本思想足岩块之间的相亙作川同吋受表征位移一力的物理方程和反应力一加速度（位移、速度）的运动方程支配通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。块体理论和刚体冇限元法则属于静态分析的方法。仅考虑在恒定荷载作川下系统的平

6、衡及失稳条件。块体理论实质上是一种儿何学的方法，根据岩体中实际存在的节理倾角及其方位，利川块体之间的相互作川条件找出具奋移动可能性的岩体及其位H,故也称关键块理论。该理论是一种通过判別和描述洞室围岩最危险岩石块体运动来确定岩体稳定性的分析方法，是山孖根华提出并在美与Goodman合作完善起來的。汄为岩体完全被交错节理所切割，形成各种形状的空间块体，而在这种岩体中开挖的洞室，从方向和位置不利且以开挖临空則为一个或苦干而的块体的运动开始的，这个块体称为关键块体。对这种理论的一个新发展是边边接触块体理论，它除了与关键块体理论相同的假定之外还假定块体之间接触可以沿节理全长或

7、部分K:度分布。刚体朽限元法则把岩块视为刚体块单元，块体之叫以具杏相应刚度的弹簧（阻尼器）连结形成总的系统，建立相应的®木方程。用刚体冇限元法（RBFEM）给出的应力精度不会低于其至高于位移精度，优于传统的以位移法为基础的奋限元数值解。此外RBFEM人人地减小了总体的半带宽及体积，人幅度降低了计算景。这些优点奋利于结构分析，特别是非线性问题的数值解。这类模型如有刚体-弹贲模型，刚性有限元，分块刚体位移-界面应力元法，块体-弹簧模型。在这类模型屮，界而特性均假设服从Coulomb序擦定律，考虑体系的静力约朿条件比较充分，对干连续状态的应力分析往往4给出较高的计算精