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1、会计学1绪论及张量基本知识分析绪论及张量基本知识分析目目目目 录录录录1.1.1.1.绪论及张量基本知识绪论及张量基本知识绪论及张量基本知识绪论及张量基本知识2.2.2.2.弹塑性理论基本知识弹塑性理论基本知识弹塑性理论基本知识弹塑性理论基本知识3.3.3.3.有限元计算方法有限元计算方法有限元计算方法有限元计算方法4.4.4.4.节理岩体弹塑性损伤断裂有限元计算方法节理岩体弹塑性损伤断裂有限元计算方法节理岩体弹塑性损伤断裂有限元计算方法节理岩体弹塑性损伤断裂有限元计算方法5.5.5.5.节理岩体损伤锚固有限元计算方法节理岩体损伤锚固有限元计算方法节理岩体损伤锚固有限元计算方法节理岩体损伤锚固
2、有限元计算方法6.6.6.6.大型工程弹塑性损伤及加锚数值计算分析大型工程弹塑性损伤及加锚数值计算分析大型工程弹塑性损伤及加锚数值计算分析大型工程弹塑性损伤及加锚数值计算分析7.7.7.7.大型三维弹塑性和弹塑性损伤有限元计算程大型三维弹塑性和弹塑性损伤有限元计算程大型三维弹塑性和弹塑性损伤有限元计算程大型三维弹塑性和弹塑性损伤有限元计算程序使用介绍序使用介绍序使用介绍序使用介绍第1页/共43页 1.1 1.1 绪论绪论1 1 1 1）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值模拟的主要方法 2 2 2 2）数值模拟方法的应用范围和实施过程
3、数值模拟方法的应用范围和实施过程数值模拟方法的应用范围和实施过程数值模拟方法的应用范围和实施过程3 3 3 3）岩土工程数值模拟的步骤和研究内容岩土工程数值模拟的步骤和研究内容岩土工程数值模拟的步骤和研究内容岩土工程数值模拟的步骤和研究内容4 4 4 4）影响数值模拟的主要因素影响数值模拟的主要因素影响数值模拟的主要因素影响数值模拟的主要因素5 5 5 5）国内外主要大型有限元计算软件国内外主要大型有限元计算软件国内外主要大型有限元计算软件国内外主要大型有限元计算软件第2页/共43页1 1 1 1）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值模拟的主要方法）岩土工程数值
4、模拟的主要方法 n n 随随随随着着着着电电电电子子子子计计计计算算算算机机机机的的的的广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用，解解解解决决决决岩岩岩岩土土土土工工工工程程程程问问问问题题题题的的的的数数数数值值值值模模模模拟拟拟拟理理理理论论论论和和和和方方方方法法法法迅迅迅迅速速速速发发发发展展展展，数数数数值值值值方方方方法法法法的的的的不不不不断断断断完完完完善善善善和和和和成成成成熟熟熟熟，使使使使得解决的岩土工程问题更加广泛，研究的课题更加深入。得解决的岩土工程问题更加广泛，研究的课题更加深入。得解决的岩土工程问题更加广泛，研究的课题更加深入。得解决的岩土工程问题更加广泛，研究的课题更加
5、深入。n n飞速发展的岩土工程不断提出新的难题，用现成的数学、飞速发展的岩土工程不断提出新的难题，用现成的数学、飞速发展的岩土工程不断提出新的难题，用现成的数学、飞速发展的岩土工程不断提出新的难题，用现成的数学、力学理论对其无法作出确切的描述，力学理论对其无法作出确切的描述，力学理论对其无法作出确切的描述，力学理论对其无法作出确切的描述，岩土工程数值方法为岩土工程数值方法为岩土工程数值方法为岩土工程数值方法为解决这类问题提出了可能的手段。解决这类问题提出了可能的手段。解决这类问题提出了可能的手段。解决这类问题提出了可能的手段。n n多种数值方法的不断成功应用，深化了人们对许多岩土工多种数值方法
6、的不断成功应用，深化了人们对许多岩土工多种数值方法的不断成功应用，深化了人们对许多岩土工多种数值方法的不断成功应用，深化了人们对许多岩土工程现象的理解，并程现象的理解，并程现象的理解，并程现象的理解，并有力地推动了岩土工程学科的定量化进有力地推动了岩土工程学科的定量化进有力地推动了岩土工程学科的定量化进有力地推动了岩土工程学科的定量化进程程程程 。第3页/共43页n n随随随随着着着着现现现现代代代代工工工工程程程程建建建建设设设设的的的的规规规规模模模模越越越越来来来来越越越越大大大大，场场场场地地地地条条条条件件件件也也也也随随随随来来来来随随随随复复复复杂杂杂杂，因因因因而而而而产产产产
7、生生生生的的的的工工工工程程程程问问问问题题题题也也也也越越越越来来来来越越越越复复复复杂杂杂杂。对对对对这这这这些些些些问问问问题题题题进进进进行行行行分分分分析析析析评评评评价价价价时时时时，采采采采用用用用传传传传统统统统的的的的解解解解析析析析法法法法求求求求解解解解偏偏偏偏微微微微分分分分方方方方程程程程几几几几乎乎乎乎无无无无法法法法实实实实现现现现，因因因因而而而而数数数数值值值值分分分分析析析析方方方方法法法法得得得得到到到到广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。n n数数数数值值值值计计计计算算算算方方方方法法法法的的的的突突突突出出出出优优优优点点点点是是是是能能
8、能能够够够够较较较较好好好好地地地地考考考考虑虑虑虑诸诸诸诸如如如如介介介介质质质质的的的的各各各各向向向向异异异异性性性性、非非非非均均均均质质质质特特特特性性性性及及及及其其其其随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化、复复复复杂杂杂杂边界条件和介质不连续性等复杂工程条件。边界条件和介质不连续性等复杂工程条件。边界条件和介质不连续性等复杂工程条件。边界条件和介质不连续性等复杂工程条件。n n高高高高速速速速电电电电子子子子计计计计算算算算机机机机的的的的广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用，解解解解决决决决了了了了繁繁繁繁琐琐琐琐的的的的数数数数值值值值运运运运算算算算问问问问题题题题，因因因
9、因而而而而数数数数值值值值分分分分析析析析方方方方法法法法日日日日益益益益广广广广泛泛泛泛地地地地应应应应用用用用在在在在岩岩岩岩土土土土工程分析的各个方面。工程分析的各个方面。工程分析的各个方面。工程分析的各个方面。第4页/共43页 a.a.a.a.有限差分法有限差分法有限差分法有限差分法n n在在在在岩岩岩岩土土土土工工工工程程程程问问问问题题题题分分分分析析析析中中中中，最最最最常常常常用用用用的的的的数数数数值值值值方方方方法法法法包包包包括括括括有有有有限限限限差差差差分分分分方方方方法法法法、有有有有限限限限元元元元方方方方法法法法、边边边边界界界界元元元元法法法法和和和和离离离离
10、散散散散元元元元方方方方法法法法，这这这这些些些些数数数数值值值值方方方方法法法法都都都都有有有有各各各各自自自自的的的的长长长长处处处处及及及及适适适适用用用用条条条条件件件件，不不不不能能能能笼笼笼笼统统统统地地地地说说说说哪哪哪哪种种种种方方方方法法法法更更更更好好好好，应应应应当根据具体工程问题的特点及其边界条件加以选用。当根据具体工程问题的特点及其边界条件加以选用。当根据具体工程问题的特点及其边界条件加以选用。当根据具体工程问题的特点及其边界条件加以选用。n n有限差分方法有限差分方法有限差分方法有限差分方法是最早出现的数值方法，在计算机出现以前就是最早出现的数值方法，在计算机出现以
11、前就是最早出现的数值方法，在计算机出现以前就是最早出现的数值方法，在计算机出现以前就有了，它至今在解决一些岩土工程问题中仍然有效。有了，它至今在解决一些岩土工程问题中仍然有效。有了，它至今在解决一些岩土工程问题中仍然有效。有了，它至今在解决一些岩土工程问题中仍然有效。有限差有限差有限差有限差分法是将所考虑的区域分割成网格，用差分近似代替微分，分法是将所考虑的区域分割成网格，用差分近似代替微分，分法是将所考虑的区域分割成网格，用差分近似代替微分，分法是将所考虑的区域分割成网格，用差分近似代替微分，把微分方程变换成差分方程。把微分方程变换成差分方程。把微分方程变换成差分方程。把微分方程变换成差分方
12、程。n n有限差分通过数学上的近似，把有限差分通过数学上的近似，把有限差分通过数学上的近似，把有限差分通过数学上的近似，把求解微分方程的问题变换成求解微分方程的问题变换成求解微分方程的问题变换成求解微分方程的问题变换成求解关于结点未知量的代数方程组的问题。求解关于结点未知量的代数方程组的问题。求解关于结点未知量的代数方程组的问题。求解关于结点未知量的代数方程组的问题。第5页/共43页b.b.有限单元法有限单元法n n有限元方法有限元方法有限元方法有限元方法起源于起源于起源于起源于20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代航空工程中飞机年代航空工程中飞机年代航空工程中飞机年代航空工程中
13、飞机结构的矩阵分析，它是将所考虑区域分割成有限结构的矩阵分析，它是将所考虑区域分割成有限结构的矩阵分析，它是将所考虑区域分割成有限结构的矩阵分析，它是将所考虑区域分割成有限大小的单元，这些单元仅在有限个结点上相连接大小的单元，这些单元仅在有限个结点上相连接大小的单元，这些单元仅在有限个结点上相连接大小的单元，这些单元仅在有限个结点上相连接n n有限元法是通过物理上的近似有限元法是通过物理上的近似有限元法是通过物理上的近似有限元法是通过物理上的近似，把求解微分方程，把求解微分方程，把求解微分方程，把求解微分方程问题变换成求解关于结点未知量的代数方程组的问题变换成求解关于结点未知量的代数方程组的问
14、题变换成求解关于结点未知量的代数方程组的问题变换成求解关于结点未知量的代数方程组的问题问题问题问题n n有限元法是应用最广的数值分析方法，目前广泛有限元法是应用最广的数值分析方法，目前广泛有限元法是应用最广的数值分析方法，目前广泛有限元法是应用最广的数值分析方法，目前广泛使用的有：使用的有：使用的有：使用的有：线弹性有限元、弹塑性有限元、弹塑线弹性有限元、弹塑性有限元、弹塑线弹性有限元、弹塑性有限元、弹塑线弹性有限元、弹塑性有限元、弹塑性损伤断裂有限元性损伤断裂有限元性损伤断裂有限元性损伤断裂有限元 第6页/共43页 C.C.C.C.边界单元法边界单元法边界单元法边界单元法n n边边边边界界界
15、界单单单单元元元元法法法法是是是是70707070年年年年代代代代兴兴兴兴起起起起的的的的一一一一种种种种数数数数值值值值方方方方法法法法，由由由由于于于于它它它它有有有有降降降降维维维维作作作作用用用用，且且且且计计计计算算算算精精精精度度度度高高高高，对对对对于于于于解解解解决决决决无无无无限限限限域域域域或半无限域问题尤为理想。或半无限域问题尤为理想。或半无限域问题尤为理想。或半无限域问题尤为理想。n n边边边边界界界界元元元元法法法法是是是是根根根根据据据据变变变变分分分分定定定定理理理理，将将将将区区区区域域域域内内内内的的的的微微微微分分分分方方方方程程程程变变变变换换换换成成成成
16、边边边边界界界界上上上上的的的的积积积积分分分分方方方方程程程程，然然然然后后后后将将将将边边边边界界界界分分分分割割割割成成成成有有有有限限限限大大大大小小小小的的的的边边边边界界界界单单单单元元元元，把把把把求求求求解解解解微微微微分分分分方方方方程程程程变变变变换换换换成成成成求求求求解解解解边界结点未知量的代数方程组。边界结点未知量的代数方程组。边界结点未知量的代数方程组。边界结点未知量的代数方程组。n n根根根根据据据据边边边边界界界界结结结结点点点点上上上上的的的的位位位位移移移移值值值值求求求求出出出出区区区区域域域域内内内内任任任任一一一一点点点点的的的的函函函函数值。数值。数
17、值。数值。第7页/共43页 d.d.离散单元法及耦合数值方法离散单元法及耦合数值方法离散单元法及耦合数值方法离散单元法及耦合数值方法n n离散单元法离散单元法离散单元法离散单元法最早是由最早是由最早是由最早是由CundallCundallCundallCundall在在在在1971197119711971年提出来的，它假定单年提出来的，它假定单年提出来的，它假定单年提出来的，它假定单元块体是刚体，块体单元通过角和边相接触，其元块体是刚体，块体单元通过角和边相接触，其元块体是刚体，块体单元通过角和边相接触，其元块体是刚体，块体单元通过角和边相接触，其力学行为由力学行为由力学行为由力学行为由物理方
18、程和运动方程控制物理方程和运动方程控制物理方程和运动方程控制物理方程和运动方程控制。与有限单元法不同的是，离散元。与有限单元法不同的是，离散元。与有限单元法不同的是，离散元。与有限单元法不同的是，离散元法允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形法允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形法允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形法允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形 n n为为为为了了了了解解解解决决决决复复复复杂杂杂杂的的的的岩岩岩岩土土土土工工工工程程程程问问问问题题题题，近近近近年年年年来来来来数数数数值值值值方方方方法法法法的的的的耦耦耦耦合合合合分分
19、分分析析析析有有有有了了了了长长长长足足足足的的的的进进进进步步步步，如如如如有有有有限限限限元元元元与与与与边边边边界界界界元元元元耦耦耦耦合合合合，有有有有限限限限元元元元与与与与离离离离散散散散元元元元耦耦耦耦合合合合及及及及边边边边界界界界元元元元与与与与离离离离散散散散元元元元耦耦耦耦合合合合等等等等都都都都有有有有了了了了不不不不少少少少应应应应用用用用，解解解解决决决决了了了了不不不不少少少少复杂条件的数值模拟问题。复杂条件的数值模拟问题。复杂条件的数值模拟问题。复杂条件的数值模拟问题。n n近近近近些些些些年年年年，随随随随着着着着岩岩岩岩土土土土工工工工程程程程复复复复杂杂杂
20、杂地地地地质质质质条条条条件件件件的的的的和和和和新新新新的的的的问问问问题题题题的的的的不不不不断断断断出出出出现现现现，模模模模拟拟拟拟岩岩岩岩土土土土问问问问题题题题力力力力学学学学变变变变形形形形特特特特性性性性的的的的各各各各种种种种新新新新的的的的数数数数值值值值模模模模拟拟拟拟方方方方法法法法得得得得到到到到进进进进一一一一步步步步发发发发展展展展，并并并并出出出出现现现现了了了了一一一一些些些些新新新新的的的的数数数数值值值值方方方方法法法法，如如如如不不不不连连连连续续续续变变变变形形形形分分分分析析析析（DDADDADDADDA）、快快快快速速速速拉拉拉拉格格格格朗朗朗朗日
21、日日日分分分分析析析析法法法法（FLACFLACFLACFLAC）、块块块块体体体体弹弹弹弹簧簧簧簧无无无无法（法（法（法（BSMBSMBSMBSM）、无网格伽辽金法、无网格伽辽金法、无网格伽辽金法、无网格伽辽金法（EFGMEFGMEFGMEFGM）和数值流形法和数值流形法和数值流形法和数值流形法（NMMNMMNMMNMM）。第8页/共43页应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：(1(1(1(1）岩土工程变形破坏机制研究）岩土工程变形破坏机制研究）岩土工程变形破坏机制研究）岩土工程变形破坏机制研究n n在在在在岩岩岩岩土土土土力力力力学学学学模模模模型型型型的的的的基基基基础础础础上上上上，
22、再再再再现现现现岩岩岩岩土土土土体体体体的的的的变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏发发发发展展展展演演演演化化化化历历历历史史史史，从从从从而而而而从从从从整整整整体体体体上上上上分分分分析析析析岩岩岩岩土土土土体体体体变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏过过过过程程程程及及及及其其其其全全全全过过过过程演化机制程演化机制程演化机制程演化机制。n n对对对对岩岩岩岩土土土土变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏机机机机制制制制的的的的数数数数值值值值模模模模拟拟拟拟并并并并不不不不在在在在于于于于具具具具体体体体数数数数值值值值的的的的准准准准确确确确性，而在于对规律的探索。性，而在于对规律的探索。性，而
23、在于对规律的探索。性，而在于对规律的探索。(2)(2)(2)(2)岩土体位移场和应力场的模拟岩土体位移场和应力场的模拟岩土体位移场和应力场的模拟岩土体位移场和应力场的模拟n n在在在在已已已已知知知知工工工工程程程程区区区区岩岩岩岩土土土土体体体体边边边边界界界界条条条条件件件件和和和和外外外外荷荷荷荷载载载载的的的的情情情情况况况况下下下下，通通通通过过过过数数数数值值值值分分分分析析析析方方方方法法法法可可可可以以以以得得得得到到到到位位位位移移移移场场场场和和和和应应应应力力力力场场场场分分分分布布布布及及及及其其其其与与与与外外外外界界界界条条条条件件件件的的的的关关关关系系系系，这这
24、这这是是是是数数数数值值值值方方方方法法法法的的的的基基基基本本本本功功功功能能能能。此此此此外外外外，还还还还可可可可以以以以计计计计算算算算应应应应力力力力场场场场间间间间接接接接参参参参数数数数（如如如如应应应应力力力力强强强强度度度度因因因因子子子子，断断断断裂裂裂裂扩扩扩扩展展展展力力力力等等等等）的的的的空空空空间间间间分布特征。分布特征。分布特征。分布特征。2)2)2)2)数值模拟方法的应用范围和实施过程数值模拟方法的应用范围和实施过程数值模拟方法的应用范围和实施过程数值模拟方法的应用范围和实施过程 第9页/共43页(3(3(3(3）岩土体稳定性模拟）岩土体稳定性模拟）岩土体稳定
25、性模拟）岩土体稳定性模拟n n通通通通过过过过对对对对岩岩岩岩土土土土体体体体变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏规规规规律律律律的的的的模模模模拟拟拟拟，可可可可以以以以分分分分析析析析其其其其变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏的过程，评价其稳定性性状的过程，评价其稳定性性状的过程，评价其稳定性性状的过程，评价其稳定性性状，并，并，并，并预测其未来变化预测其未来变化预测其未来变化预测其未来变化n n具具具具体体体体而而而而言言言言，可可可可以以以以解解解解决决决决两两两两类类类类问问问问题题题题：一一一一是是是是在在在在已已已已知知知知边边边边界界界界条条条条件件件件和和和和地地地地质质质质模模模
26、模型型型型条条条条件件件件下下下下的的的的模模模模拟拟拟拟再再再再现现现现，即即即即通通通通过过过过模模模模拟拟拟拟再再再再现现现现过过过过去去去去的的的的发发发发展展展展历历历历史史史史，从从从从而而而而评评评评价价价价工工工工程程程程岩岩岩岩土土土土体体体体的的的的稳稳稳稳定定定定性性性性现现现现状状状状，并并并并在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上，通通通通过过过过对对对对模模模模型型型型的的的的时时时时间间间间延延延延拓拓拓拓，预预预预测测测测其其其其稳稳稳稳定定定定性性性性未未未未来来来来发发发发展展展展变变变变化化化化的的的的趋趋趋趋势或失稳破坏方式。势或失稳破坏方式。势或失稳
27、破坏方式。势或失稳破坏方式。n n二二二二是是是是在在在在边边边边界界界界条条条条件件件件及及及及主主主主导导导导因因因因素素素素尚尚尚尚不不不不清清清清楚楚楚楚的的的的条条条条件件件件下下下下的的的的模模模模拟拟拟拟验验验验证证证证，既既既既以以以以不不不不同同同同的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件和和和和主主主主导导导导因因因因素素素素建建建建立立立立力力力力学学学学模模模模型型型型，进进进进行行行行数数数数值值值值模模模模拟拟拟拟，确确确确定定定定出出出出对对对对地地地地质质质质变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏现现现现状状状状特特特特征征征征或或或或演演演演化化化化阶阶阶阶段段段段
28、拟拟拟拟合合合合最最最最好好好好的的的的模模模模型型型型，从从从从而而而而确确确确定定定定岩岩岩岩土土土土体体体体变变变变形形形形破破破破坏坏坏坏的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件和和和和主主主主导导导导因因因因素，进而评价其稳定性。素，进而评价其稳定性。素，进而评价其稳定性。素，进而评价其稳定性。第10页/共43页(4(4(4(4）反分析技术）反分析技术）反分析技术）反分析技术n n反分析技术是近年来岩土力学和工程地质领域中最重要的反分析技术是近年来岩土力学和工程地质领域中最重要的反分析技术是近年来岩土力学和工程地质领域中最重要的反分析技术是近年来岩土力学和工程地质领域中最重要的进展之
29、一，它已成为学科前沿热点问题。进展之一，它已成为学科前沿热点问题。进展之一，它已成为学科前沿热点问题。进展之一，它已成为学科前沿热点问题。n n反分析可分为反分析可分为反分析可分为反分析可分为应力反分析和位移反分析应力反分析和位移反分析应力反分析和位移反分析应力反分析和位移反分析两类，由于反分析两类，由于反分析两类，由于反分析两类，由于反分析涉及复杂分析计算，它必须通过数值法求解。涉及复杂分析计算，它必须通过数值法求解。涉及复杂分析计算，它必须通过数值法求解。涉及复杂分析计算，它必须通过数值法求解。n n位移反分析位移反分析位移反分析位移反分析是通过岩土体边界条件的确定和岩土体位移的是通过岩土
30、体边界条件的确定和岩土体位移的是通过岩土体边界条件的确定和岩土体位移的是通过岩土体边界条件的确定和岩土体位移的实测，建立合适的计算模型，求取岩土力学参数。实测，建立合适的计算模型，求取岩土力学参数。实测，建立合适的计算模型，求取岩土力学参数。实测，建立合适的计算模型，求取岩土力学参数。n n应力反分析应力反分析应力反分析应力反分析通过实测获得某些点的应力值，反演推测工程通过实测获得某些点的应力值，反演推测工程通过实测获得某些点的应力值，反演推测工程通过实测获得某些点的应力值，反演推测工程区域一定范围内的应力场。通过区域一定范围内的应力场。通过区域一定范围内的应力场。通过区域一定范围内的应力场。
31、通过应力反分析应力反分析应力反分析应力反分析，不仅可以得，不仅可以得，不仅可以得，不仅可以得到工程区地应力场的总体认识，而且可以获得工程岩体应到工程区地应力场的总体认识，而且可以获得工程岩体应到工程区地应力场的总体认识，而且可以获得工程岩体应到工程区地应力场的总体认识，而且可以获得工程岩体应力边界条件。力边界条件。力边界条件。力边界条件。第11页/共43页(5(5(5(5）信息化设计与施工）信息化设计与施工）信息化设计与施工）信息化设计与施工n n通过施工过程中新揭示的通过施工过程中新揭示的通过施工过程中新揭示的通过施工过程中新揭示的岩土体地质岩土体地质岩土体地质岩土体地质特征和变形破坏规律，
32、随时修正设计特征和变形破坏规律，随时修正设计特征和变形破坏规律，随时修正设计特征和变形破坏规律，随时修正设计和施工方案和施工方案和施工方案和施工方案是岩土工程又一发展趋势。是岩土工程又一发展趋势。是岩土工程又一发展趋势。是岩土工程又一发展趋势。n n对对对对岩体结构面网络模拟技术和数值模岩体结构面网络模拟技术和数值模岩体结构面网络模拟技术和数值模岩体结构面网络模拟技术和数值模拟拟拟拟是实现这一特性的重要阶段。是实现这一特性的重要阶段。是实现这一特性的重要阶段。是实现这一特性的重要阶段。第12页/共43页3)3)3)3)岩土工程数值模拟的基本步骤岩土工程数值模拟的基本步骤岩土工程数值模拟的基本步
33、骤岩土工程数值模拟的基本步骤(1(1(1(1）查查查查明明明明岩岩岩岩土土土土体体体体物物物物理理理理力力力力学学学学参参参参数数数数及及及及与与与与岩岩岩岩土土土土本本本本构构构构关关关关系系系系相相相相关关关关的的的的地地地地质质质质条件。条件。条件。条件。(2(2(2(2）地质模型概化地质模型概化地质模型概化地质模型概化 地地地地质质质质模模模模型型型型是是是是在在在在工工工工程程程程地地地地质质质质条条条条件件件件综综综综合合合合分分分分析析析析的的的的基基基基础础础础上上上上，对对对对 工工工工程程程程地质体的概括或简化。地质体的概括或简化。地质体的概括或简化。地质体的概括或简化。(
34、3(3(3(3）建立力学模型建立力学模型建立力学模型建立力学模型 力学模型既能准确反映岩土体的客观实际，同时又具有力学模型既能准确反映岩土体的客观实际，同时又具有力学模型既能准确反映岩土体的客观实际，同时又具有力学模型既能准确反映岩土体的客观实际，同时又具有力力力力学分析的可能性学分析的可能性学分析的可能性学分析的可能性和和和和计算机条件保障的可行性计算机条件保障的可行性计算机条件保障的可行性计算机条件保障的可行性。与力学模与力学模与力学模与力学模型建立相关的问题包括：型建立相关的问题包括：型建立相关的问题包括：型建立相关的问题包括：a.a.a.a.相对独立的相对独立的相对独立的相对独立的力学
35、结构范围力学结构范围力学结构范围力学结构范围的选的选的选的选取。取。取。取。b.b.b.b.地质体条件地质体条件地质体条件地质体条件（如断裂、构造）的确定。（如断裂、构造）的确定。（如断裂、构造）的确定。（如断裂、构造）的确定。C.C.C.C.计算计算计算计算边界边界边界边界条件条件条件条件（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）的（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）的（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）的（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）的选用等。选用等。选用等。选用等。第13页/共43页(4(4）数值模拟结果的检验）数值模拟结果的检验n n数值计算应当满足一定
36、的数值计算应当满足一定的精度和精度和可靠性可靠性，除通过适当的数学手段，除通过适当的数学手段进行检验外，最根本的方法是将进行检验外，最根本的方法是将计算结果与工程实际条件对比，计算结果与工程实际条件对比，有时还需要进行必要的有时还需要进行必要的理论分析理论分析和模型试验和模型试验。n n如果数值计算结果存在较大的误如果数值计算结果存在较大的误差差 ，应当着手改善输入数据，应当着手改善输入数据，修改力学模型和数值计算方法，修改力学模型和数值计算方法，有时需要对计算模型进行调整。有时需要对计算模型进行调整。第14页/共43页4)4)4)4)影响数值模拟的主要因素影响数值模拟的主要因素影响数值模拟的
37、主要因素影响数值模拟的主要因素 n n 数数数数值值值值方方方方法法法法是是是是解解解解决决决决岩岩岩岩土土土土工工工工程程程程问问问问题题题题的的的的一一一一种种种种手手手手段段段段，它它它它的的的的正正正正确确确确与与与与否否否否在在在在很很很很大大大大程程程程度度度度上上上上取取取取决决决决于于于于对对对对工工工工程程程程地地地地质质质质条条条条件件件件的的的的研究研究研究研究，而且必须通过工程实践的检验。，而且必须通过工程实践的检验。，而且必须通过工程实践的检验。，而且必须通过工程实践的检验。n n首先首先首先首先地质体地质体地质体地质体是在漫长地质历史时期形成的复杂体是在漫长地质历史
38、时期形成的复杂体是在漫长地质历史时期形成的复杂体是在漫长地质历史时期形成的复杂体系，它不仅表现在岩土特性的复杂多变，还表现系，它不仅表现在岩土特性的复杂多变，还表现系，它不仅表现在岩土特性的复杂多变，还表现系，它不仅表现在岩土特性的复杂多变，还表现在在在在地质结构面的千差万别地质结构面的千差万别地质结构面的千差万别地质结构面的千差万别，而且这些因素随着时，而且这些因素随着时，而且这些因素随着时，而且这些因素随着时间和空间都在间和空间都在间和空间都在间和空间都在不断变化不断变化不断变化不断变化着。着。着。着。n n因此，通过理论的本构关系和计算模型来模拟这因此，通过理论的本构关系和计算模型来模拟
39、这因此，通过理论的本构关系和计算模型来模拟这因此，通过理论的本构关系和计算模型来模拟这种复杂的过程现象就不可避免地存在着种复杂的过程现象就不可避免地存在着种复杂的过程现象就不可避免地存在着种复杂的过程现象就不可避免地存在着偏差偏差偏差偏差。第15页/共43页n n计计计计算算算算参参参参数数数数的的的的选选选选取取取取在在在在很很很很大大大大程程程程度度度度上上上上决决决决定定定定了了了了计计计计算算算算结结结结果果果果的的的的精精精精确确确确程程程程度度度度。由由由由于于于于计计计计算算算算参参参参数数数数的的的的随随随随机机机机性性性性和和和和不不不不确确确确定定定定性性性性，它它它它们们
40、们们的的的的选选选选取取取取就就就就成成成成为为为为工工工工程程程程数数数数值值值值分分分分析析析析中中中中的的的的关关关关键键键键问问问问题题题题之之之之一一一一。因因因因此此此此对对对对输输输输入入入入参参参参数数数数必必必必须须须须进进进进行行行行适适适适当当当当的的的的统计处理统计处理统计处理统计处理，从，从，从，从概率分析和可靠性分析的角度概率分析和可靠性分析的角度概率分析和可靠性分析的角度概率分析和可靠性分析的角度提供计算参数。提供计算参数。提供计算参数。提供计算参数。n n力力力力学学学学模模模模型型型型的的的的正正正正确确确确建建建建立立立立也也也也是是是是影影影影响响响响数数
41、数数值值值值计计计计算算算算结结结结果果果果的的的的关关关关健健健健因因因因素素素素。对对对对于于于于地地地地质质质质体体体体缺缺缺缺乏乏乏乏充充充充分分分分正正正正确确确确的的的的认认认认识识识识，受受受受主主主主观观观观直直直直觉觉觉觉的的的的引引引引导导导导，或或或或对对对对模模模模型型型型本本本本身身身身缺缺缺缺乏乏乏乏实实实实质质质质性性性性的的的的认认认认识识识识，在在在在实实实实际际际际资资资资料料料料的的的的处处处处理理理理、边边边边界界界界条条条条件件件件、初初初初始始始始条条条条件件件件的的的的确确确确定定定定等等等等方方方方面面面面往往往往往往往往就就就就会会会会偏偏偏偏
42、离离离离实实实实际际际际，将将将将会会会会导导导导致致致致建建建建立立立立一一一一个个个个歪歪歪歪曲曲曲曲问问问问题题题题本本本本质质质质的的的的力力力力学学学学模模模模型型型型。因因因因此此此此，力力力力学学学学模模模模型型型型的的的的正正正正确确确确建建建建立立立立对对对对数值分析是至关重要的。数值分析是至关重要的。数值分析是至关重要的。数值分析是至关重要的。第16页/共43页5)5)5)5)国内外常用有限元大型计算软件简介国内外常用有限元大型计算软件简介国内外常用有限元大型计算软件简介国内外常用有限元大型计算软件简介 国内主要有限元程序国内主要有限元程序国内主要有限元程序国内主要有限元程
43、序:(1(1(1(1）中科院武汉岩土所程序）中科院武汉岩土所程序）中科院武汉岩土所程序）中科院武汉岩土所程序n nGJP-1GJP-1GJP-1GJP-1三维弹性静力程序三维弹性静力程序三维弹性静力程序三维弹性静力程序有有有有20202020结结结结点点点点等等等等参参参参元元元元、16161616结结结结点点点点等等等等参参参参节节节节理理理理元元元元、可可可可考考考考虑虑虑虑集集集集中中中中荷荷荷荷载、重力荷载、分布荷载、温度荷载等。载、重力荷载、分布荷载、温度荷载等。载、重力荷载、分布荷载、温度荷载等。载、重力荷载、分布荷载、温度荷载等。n n非线性平面有限元程序非线性平面有限元程序非线
44、性平面有限元程序非线性平面有限元程序 有有有有三三三三角角角角形形形形单单单单元元元元和和和和节节节节理理理理单单单单元元元元，可可可可考考考考虑虑虑虑横横横横观观观观各各各各向向向向同同同同性性性性材材材材料，非线性分析采用变形理论方法和应力迁移法。料，非线性分析采用变形理论方法和应力迁移法。料，非线性分析采用变形理论方法和应力迁移法。料，非线性分析采用变形理论方法和应力迁移法。第17页/共43页(2(2(2(2）山山山山东东东东大大大大学学学学节节节节理理理理岩岩岩岩体体体体加加加加锚锚锚锚的的的的平平平平面面面面和和和和三三三三维维维维弹弹弹弹塑塑塑塑性性性性损损损损伤伤伤伤断断断断裂裂
45、裂裂有限元程序有限元程序有限元程序有限元程序n n 山山山山大大大大岩岩岩岩土土土土中中中中心心心心开开开开发发发发的的的的节节节节理理理理岩岩岩岩体体体体弹弹弹弹塑塑塑塑性性性性损损损损伤伤伤伤断断断断裂裂裂裂平平平平面面面面和和和和三维非线性有限元计算分析程序。三维非线性有限元计算分析程序。三维非线性有限元计算分析程序。三维非线性有限元计算分析程序。n n程程程程序序序序采采采采用用用用8 8 8 8节节节节点点点点等等等等参参参参单单单单元元元元，具具具具有有有有多多多多种种种种计计计计算算算算模模模模型型型型。可可可可模模模模拟拟拟拟节节节节理理理理岩岩岩岩体体体体的的的的线线线线弹弹
46、弹弹性性性性、非非非非线线线线性性性性弹弹弹弹性性性性、弹弹弹弹塑塑塑塑性性性性、弹弹弹弹塑塑塑塑性性性性损损损损伤伤伤伤断断断断裂裂裂裂变变变变形形形形特特特特性性性性。还还还还可可可可模模模模拟拟拟拟系系系系统统统统锚锚锚锚杆杆杆杆和和和和预预预预应应应应力力力力锚锚锚锚索索索索在在在在节理岩体中的节理岩体中的节理岩体中的节理岩体中的锚固效应锚固效应锚固效应锚固效应。n n该该该该程程程程序序序序已已已已被被被被广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于长长长长江江江江三三三三峡峡峡峡工工工工程程程程船船船船闸闸闸闸高高高高边边边边坡坡坡坡、龙龙龙龙滩滩滩滩、溪溪溪溪洛洛洛洛渡渡渡渡、水水水水布布布
47、布垭垭垭垭、大大大大岗岗岗岗山山山山、双双双双江江江江口口口口等等等等水水水水电电电电站站站站，主主主主要要要要计计计计算分析成果也曾获国家算分析成果也曾获国家算分析成果也曾获国家算分析成果也曾获国家科技进步二等奖。科技进步二等奖。科技进步二等奖。科技进步二等奖。第18页/共43页（3 3）武汉大学三维弹塑性程序）武汉大学三维弹塑性程序n n采采用用8 8结结点点等等参参元元，节节理理元元及及杆杆元元，屈屈 服服 准准 则则 采采 用用Zienkiewicz-pandeZienkiewicz-pande、Drucker-Drucker-pragerprager准准则则，将将总总荷荷载载分分为为
48、弹弹性性加加载载和和塑塑性性加加载载两两部部分分，弹弹性性加加载载采采用用一一次次加加载载，塑塑性性加加载采用分级加载。载采用分级加载。n n 应应 力力 计计 算算 中中，采采 用用Sirwardane-DesaiSirwardane-Desai方方法法进进行行应应力力修修正正。该该程程序序可可模模拟拟开开挖挖过过程。程。第19页/共43页（4 4 4 4）清华大学程序）清华大学程序）清华大学程序）清华大学程序n n TFINETFINETFINETFINE三维非线性有限元程序三维非线性有限元程序三维非线性有限元程序三维非线性有限元程序，由前处理（网格自动剖分、绘制网格，由前处理（网格自动剖
49、分、绘制网格，由前处理（网格自动剖分、绘制网格，由前处理（网格自动剖分、绘制网格图）、主程序（有限元及边界元）、稳定分析、后处理（绘位移图及图）、主程序（有限元及边界元）、稳定分析、后处理（绘位移图及图）、主程序（有限元及边界元）、稳定分析、后处理（绘位移图及图）、主程序（有限元及边界元）、稳定分析、后处理（绘位移图及各种等值线图）四部分组成。各种等值线图）四部分组成。各种等值线图）四部分组成。各种等值线图）四部分组成。n n采用采用采用采用8 8 8 820202020结点六面体等参元，结点六面体等参元，结点六面体等参元，结点六面体等参元，6 6 6 615151515结点五面体及四面体单元
50、，三维结点五面体及四面体单元，三维结点五面体及四面体单元，三维结点五面体及四面体单元，三维节理元、过渡元、三维杆单元等，荷载有节理元、过渡元、三维杆单元等，荷载有节理元、过渡元、三维杆单元等，荷载有节理元、过渡元、三维杆单元等，荷载有温度荷载，渗流、自重、地温度荷载，渗流、自重、地温度荷载，渗流、自重、地温度荷载，渗流、自重、地应力、动力、分布荷载等。应力、动力、分布荷载等。应力、动力、分布荷载等。应力、动力、分布荷载等。n n计算模型有节理岩体的计算模型有节理岩体的计算模型有节理岩体的计算模型有节理岩体的断裂损伤模型、弹塑性模型、刚体模型、流变断裂损伤模型、弹塑性模型、刚体模型、流变断裂损伤