流形元与有限元变形和渗流的非同步耦合 分析方法及其应用

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1、第22卷第6期岩石力学与工程学报22(6)：943～9502003年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2003流形元与有限元变形和渗流的非同步耦合分析方法及其应用孙跃(地基基础咨询公司东京102-8220日本)摘要提出了一个用流形元与有限元的变形和渗流非同步耦合的分析方法，用于模拟不连续块体在水压作用下的变形过程。对一个岩石边坡上的裂隙岩块随地下水上升而产生滑动破坏的过程进行了计算模拟，将此数值计算结果与岩块的滑动极限平衡计算结果作了比较分析。计算结果显示了所提方法的可用性。关键词计算数学，流形元法，

2、有限元法，固-流耦合作用，岩石边坡分类号O242，O357.3，TU457文献标识码A文章编号1000-6915(2003)06-0943-08APPLICATIONRESEARCHONNON-SIMULTANEOUSCOUPLINGCALCULATIONOFDEFORMATIONANDSEEPAGEWITHMANIFOLDMETHODANDFEMSunYue(Kiso-JibanConsultantsCo.Ltd.，Tokyo102-8220Japan)AbstractThecalculationcodeincludingmanifoldmethod(MM)and

3、finiteelementmethod(FEM)isdevelopedtostudythenon-simultaneouscouplingproblemofstress-strainandseepagefordiscontinuousmaterial.Asimplerockslopemodelisusedtosimulatethefailuredevelopmentprocessoftherockblocksduetotheactionofwaterpressurechangealongrockfracturesurface.Thecalculatedresults

4、howsthatthepresentedcouplinganalysismethodiseffectiveforthecouplingproblemsofdiscontinuousrocksfromsmalldeformationtofailureprocess.Keywordscomputationalmathematics，manifoldmethod，FEM，couplingofstressandwaterflow，rockslope也是引起丰滨隧洞上方岩块崩坍破坏的原因之一。1引言因此，今后对于复杂环境条件下的岩石边坡，在计算其稳定性时有必要考虑不连续体变形

5、与水的耦合引起岩石边坡破坏的主要因素为岩石风化造成作用。但是，目前关于不连续体变形与水流动的耦[1～5]岩石强度降低，地下水沿岩石裂隙流动对岩石块体合分析的研究成果仍然较少。产生的水压力等。为了有效防止岩石边坡破坏以及不连续体变形与水流动的耦合计算涉及到不连岩体崩塌，在设计阶段就必须充分考虑这些因素。续体的变形计算方法以及裂隙岩体的渗流分析方降水以及地下水升降引起裂隙岩体崩塌是一个典型法。目前对于不连续体的变形计算主要有以下几种的不连续体的水与不连续体变形的耦合过程。1996方法：离散元法(DEM)、刚体-弹性法(RBSM)、不年在日本北海道地区229号国道上，丰滨

6、隧洞塌陷连续块体系统运动和变形的数值方法(DDA)和流形[6]事故的调查报告书中就指出，融雪以及地下水变动元法(Manifold)。研究表明，这些方法均能很好地2002年7月3日收到初稿，2002年10月5日收到修改稿。作者孙跃：男，44岁，博士，1982年毕业于湖南大学土木工程系工业与民用建筑专业，现任日本地基基础咨询公司岩土工程中心主任研究员，主要从事工程渗流、变形等数值计算研究工作。•944•岩石力学与工程学报2003年模拟不连续体的大变形过程。对于裂隙岩体渗流分析，已经提出多种模型来考虑裂隙中渗流作用。典型的模型有双重孔隙介质模型、等效渗流张量模型、裂隙网络

7、渗透模型等。对于微小裂隙和长大裂隙以及断层发育良好的岩体，建议采用由等效渗透张量模型和不连续单元(节理单元)组合的混合模型来分析其渗透问题。关于不连续块体变形与渗透的耦合计算模型的(a)三角形元素数学网格研究尚处于探索阶段。目前，已提出的有DDA和[7]裂隙网络模型的非同步耦合模型、流形元的变形[8]和渗透的非同步耦合模型。作者认为，对于一些工程问题并非一定要采用精确的耦合理论来计算，采用非同步耦合计算方法不连续面(裂隙、节理等)也能满足要求。但是，在现有的方法中仅仅考虑了岩体裂隙中的水流动而忽略了岩块的渗流，这种方(b)岩石边坡的物理网格法适用于由渗透性小岩块