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1、第四章离散单元法离散单元法发展及应用现状基本原理应用实例发展及应用现状岩土体结构特征：岩土是有结构的,岩土的力学作用主要受岩土结构面控制,岩土的变形与破坏一般都发生在结构面上.所谓结构面是在地质发展历史中,岩土内形成具有一定方向、一定规模、一定形态和特性的面、缝隙以及带状的地质界面,如层面、片理、节理、软弱夹层,以及断层破碎带等.岩土就是由结构面及所包围的结构体共同组成的.在建筑物与岩土的交界面上、结构的分缝面上等均具有普遍的滑移或脱开等非连续变形特性,使应力或位移不连续,而这些交界面上,结构的分缝面上
2、等均具有普遍的滑移或脱开等非连续变形特性,使应力或位移不连续,而这些交界面上的非连续力学行为极大地影响着结构的受力和变形,往往成为问题分析的关键.发展及应用现状非连续变形分析方法的提出与发展连续变形方法：解析法、有限差分法、有限单元法第一阶段：非连续变形问题的数值分析也是从有限元法入手,在反映位移连续的有限单元模型中引入节理单元、薄层单元等特殊单元来模拟位移非连续变形情况.第二阶段：在70年代初期,Cundall将岩土材料视为由软弱结构面切割而成的一系列刚性岩块组合体,运用牛顿运动定律对岩土材料进行非连
3、续变形模拟.同年代,Kawai针对均质体静力问题提出了刚体———弹簧元模型.至此,对岩土变形的数值分析已从连续介质过渡到了非连续介质.第三阶段：80年代：Cundall又提出快速拉格朗日法(FLAC法)并将其程序化、实用化,其基本原理类同于离散单元法.第四阶段：80年代中期,石根华和Goodman用块体理论进行岩土的稳定分析,由块体的平衡条件研究其滑动的可能性,块体理论的核心是找到临空面上的关键块体,以便对它采取工程处理措施,保持岩土稳定.河海大学任青文教授在关键块理论的基础上,提出了以弹塑性块体理论为
4、基础的块体单元法.第五阶段：80年代后期,石根华创立了DDA的理论和方法,DDA是与有限元的连续变形分析方法相平行的一种新的非连续变形分析方法.第六阶段：90年代,河海大学卓家寿教授在刚体———弹簧元理论的基础上,以反映变形特性的界面元件取代弹簧而建立了界面元法.在完成DDA研究的同时,石根华教授又提出了数值流形的概念,并在理论上证明了这一方法的可行性,它用流形的覆盖技术,建立了把连续变形和非连续变形分析方法包含在内的一种全新的统一计算方法.发展及应用现状离散元法的发展离散元法(DistinctElem
5、entMethod)是Cundall于20世纪70年代初所提出的,最初它的研究对象主要是岩石等非连续介质的力学行为。Cundall提出了第一个实用的离散元模型,并用它来模拟岩石块体的渐进运动过程。后来,Cundall和Strack提出用于模拟颗粒体的二维程序,得到与动光弹实验极为吻合的结果。至今为止,经过许多学者的共同努力,离散元法已经得到了长足的发展。早期的离散元法只能处理离散刚度块体系统,后来该方法被扩充了,可用于模拟变形块体。1980年美国ITASCA咨询集团开发离散元法程序UDEC并投放到市场L
6、orig和Brady开发出离散元—边界元耦合计算程序。Cundall等开发了用于模拟节理岩体的三维离散元程序(3DEC)。离散元在我国起步较晚,但是发展迅速。王泳嘉首次向我国岩石力学与工程界介绍了离散元法的基本原理及几个应用例子。后来,东北大学开发了用于土木工程设计的离散元法软件系统2DBlock、三维离散单元软件TRUDEC。发展及应用现状应用现状1.边坡工程在边坡稳定性研究中,由于离散元法在模拟过程中可以考虑边坡失稳破坏的动态过程,允许岩块之间存在滑动、平移、转动和岩体的断裂等复杂过程,具有宏观上的
7、不连续性,可以较真实地、动态地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和变形状态的变化及破坏过程。主要应用方面：边坡破坏机制模拟；治理工程效果模拟郭爱民等采用离散元法对边坡的变形和破坏机制进行了模拟,考虑坡体中裂隙水的影响。TEsak用离散元法分析陡峭岩体边坡在多种假想条件下的稳定性,并对加固系统的性能进行评估,将模拟结果与现场实测结果进行比较,两者基本吻合。胥 良等用离散单元法对缓倾角顺层边坡的变形破坏机制进行模拟分析。朱浮声等对露天矿山高陡岩石边坡进行了三维离散元分析。焦玉勇等提出了基于静态松弛法求解的
8、三维离散单元法,并用来分析滑坡。An也用离散元来分析了黄土坡滑坡。李世海等用三维离散元来分析了三峡永久船闸高边坡的稳定性。Corkum等用三维离散元分析了脚趾护坡对边坡稳定性的影响,数值模拟结果与现场观测结果一致。陈 伟等提出允许变形和断裂的三维离散元方法。采矿、地下开挖和隧道工程节理岩体中的各种地下结构,如采矿中的巷道、采场和地下开挖的洞室及地铁和隧道工程,其稳定性和变形破坏强烈地受节理不连续面的影响和控制,用基于连续性假设的数值方法如有
