计算岩土力学论文

计算岩土力学现有软件及其应用情况

1. 简介

岩体是一种具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的天然地质体[1], 由于岩体介质的复杂性, 分析边界和工况的多变, 用经典力学求解复杂的岩体工程问题的解析解已经很难, 甚至不可能。随着计算机科学的进步，数值计算方法也不断发展，并且在岩土工程领域得到了广泛的应用。例如，20世纪60年和70年代开始出现用于岩土工程稳定性计算的数值计算方法，主要是有限元法；20世纪80年代有限元、边界元及其混合模型得到广泛应用[2]；20世纪90年代以来，离散元法、DDA法等方法层出不穷。随着数值计算方法的百花齐放，计算岩土力学也从无到有发展起来，并且根据不同的计算方法形成了众多的计算软件，本文主要介绍较为常见且使用较广的几款计算软件。

数值计算方法大致分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法两大类[3]。连续变形分析方法主要有：有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界单元法（BEM）等，其中以有限单元法应用最为广泛；非连续变形分析方法主要有：离散元法（DEM）、非连续变形分析（DDA）、流形元法（MM）、无单元法（EFM）等。[4]

2. 有限单元法

有限元分析中最基本的思想就是单元离散，即将求解区域剖分为若干单元，把一个连续的介质换成为一个离散的结构物，然后就各单元进行分析，最后集成求解整体位移。

通用的有限元软件主要有ABAQUS、ANSYS、COMSOL  Multiphysics、ADINA、ALGOR、LS-DYNA、Nastran等，岩土工程专用有限元软件主要有PLAXIS、Midas GTS 、CRISP、Geoslope、GeoStudio、Rocsciences、Z-Soil和SoilVision等，本文仅简单介绍一些常见的有限元软件。

2.1 ABAQUS

ABAQUS是一款由达索SIMULIA公司进行开发、维护及售后的有限元分析软件，在岩土工程数值分析方面，ABAQUS具有以下优点[5]：

1) 拥有能够真实反映岩土体实反映土体性状的本构模型，如土体的屈服特性、剪胀特性等。ABAQUS拥有摩尔库仑棋型、Druker-Prager 模型、Cam-Clay 模型(修正剑桥模型)等，可以真实反映岩土体的大部分应力应变特点。

2) ABAQUS 中包含孔压单元，可以进行饱和土和非饱和土的流体渗透/应力耦合分析（如固结、渗透等），可以进行有效应力计算。

3) 岩土工程数值分析中必须考虑初始应力的作用，ABAQUS专门提供了相应的分析步，可以灵活、准确地建立初始应力状态。

朱向荣[6]等简单介绍了ABAQUS中的部分土体本构模型和工程算例，徐远杰[7]等成功在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型，李春忠[8]等运用ABAQUS对边坡的稳定性进行分析，费康[9]等应用ABAQUS对土石坝的静、动力进行分析，朱训国[10]等利用ABAQUS模拟NATM隧道施工。凡此种种，表明ABAQUS在岩土工程数值分析的众多方面应用十分广泛。

2.2 ANSYS

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，也是目前国际最为流行的有限元分析软件之一。ANSYS在土木工程行业的应用已扩展到各种结构构件承载力、静、动力特性等的分析，各种建筑结构——高层建筑、厂房结构、空间结构、构筑物等结构的静、动力分析，隧道等地下结构、大坝等水利工程、桥梁等结构的静、动力分析，场地土的地震反应分析，工程结构的可靠度分析，工程结构的优化设计分析等。

李向辉[11]等利用ANSYS对北京地铁天安门西站至复兴门站区间隧道进行地震反应分析，魏际兵[12]用ANSYS模拟岩质高边坡的开挖与加固，俞晓[13]使用ANSYS模拟深基坑的开挖与支护，韩春秀[14]等对使用ANSYS分析岩土工程中遇到的若干问题进行了探讨。相比较ABAQUS，ANSYS在岩土工程中的应用相对较少，但ANSYS的多场耦合分析功能可以处理高速变形和高度非线性问题，可以较好地模拟岩土的力学性能，包括对断层、夹层、节理、裂隙和褶皱等地质情况的模拟，在某些情况下起到很好的分析效果。

2.3 COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是由COMSOL公司研制的一款的多物理场仿真软件，这款软件的优势在于多物理场耦合方面，是故在岩土工程方面也经常被用于多物理耦合分析。如李利平[15]利用COMSOL计算开挖条件下突水形成过程的动态演变特征，纪佑军[16]等借助COMSOL 模拟隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律，潘俊群[17]用COMSOL对隧道开挖期间的土力学响应进行模拟。

2.4 ADINA

ADINA是目前世界上非线性功能最有效、可靠的分析软件之一，对于解决岩土工程中的各种非线性问题具有明显的优势，特别适用于岩土工程中各种隧道的开挖问题、各种地下空间结构的动力抗震分析和岩土/渗流/温度场耦合问题分析。例如张向东[18]等采用ADINA软件，对鲍家湾隧道的开挖进行数值模拟；顾俊借助ADINA[19]建立地铁隧道三维有限元模型，进行地震非线性动力特性分析；白净钞[20]等利用ADINA对富水破碎围岩隧道的多种开挖工法进行数值模拟。

2.5 PLAXIS

PLAXIS 2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，如：大型基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、大型桩筏基础（桥桩基础）与邻近基坑的相互影响、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振动及地震荷载作用下的动力分析、边坡开挖及加固后稳定性分析等。比如，唐晓松[21]等应用PLAXIS进行渗流作用下的边坡稳定分析，张如林[22]等基于PLAXIS模拟深基坑的支护设计，赵国芳[23]等探讨PLAXIS在砂性土路基填筑变形研究中的应用。

3. 有限差分法

有限差分法的基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。目前岩土行业使用较为广泛的有限差分软件主要是FLAC2D/3D，在解决大变形问题方面具有有限单元法不可比拟的优势。

FLAC2D/3D是由美国ITASCA公司开发的，FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，研究和应用范围主要集中在以下几个方面：

1) 岩土体的渐进破坏和崩塌现象的研究；

2) 岩体中断层结构的影响和加固系统的模拟；

3) 岩土体材料固结过程的模拟；

4) 岩土体材料流变现象的研究；

5) 岩土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象的研究

寇晓东[24]等将FLAC3D应用于三峡船闸高边坡开挖过程的应力变形分析和稳定分析，张艳刚[25]利用FLAC程序对广西宁明地区膨胀土边坡进行了稳定性分析计，张宪堂[26]等将FLAC3D应用到对海底隧道涌水量的预测中，周健[27]等提出基于FLAC2D数值方法的地层损失率研究，曹茜[28]借助FLAC3D研究岩溶隧道与溶洞的安全距离。凡此种种，不胜枚举，FLAC程序广泛应用与岩土工程数值分析的方方面面。

4. 离散元法

离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。因此，岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。目前使用较为广泛的离散元软件是由ITASCA公司开发的二维UDEC、三维3DEC和PFC2D/3D等离散元程序。

4.1 UDEC

UDEC是Universal Distinct Element Code的缩写，即通用离散单元法程序。源于对拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC具备连续介质力学范畴内的普遍性分析能力，而离散单元法的核心思想更是赋予UDEC在处理非连续介质环节上的本质优势，特别适合于固体介质在荷载（力荷载、流体、温度等）作用下静、动态响应问题的分析，如介质运动、大变形、或破坏行为甚至是破坏过程研究。在岩土工程方面，UDEC基本涵盖FLAC程序全部应用行业，但较FLAC更有解决优势。应用范围主要集中在介质的变形、渐进破坏、爆破作用下介质破裂扩展、动力稳定性、岩体结构渗透特征等问题上，例如大型高边坡稳定变形机理、深埋地下工程围岩破坏、矿山崩落开采等。

Rajinder[29]等用UDEC 对喜马拉雅山下的一个大型洞室变形机理进行研究，探讨了不同输入参数，如节理间距、节理本构模型等对洞室变形行为和位移的影响；刘亚群[30]等运用UDEC模拟爆破荷载作用下黄麦岭磷矿采场岩质边坡的动态响应，并将计算结果与现场监测结果进行了比较；魏东[31]等基于UDEC模拟爆破荷载作用下层状岩质边坡渐进破坏的全过程；陈陆望[32]等通过UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩的破坏特征。

4.2 3DEC

3DEC程序承袭了UDEC的基本核心思想，本质上是对二维空间离散介质力学描述向三维空间延伸的结果。相比其他数值程序，3DEC有如下优点：

1) 允许块体产生有限位移、旋转、块体间能完全分离，自动判别各块体之间的接触点；

2) 可模拟三维刚体或者可变形岩体的力学行为，可模拟各种岩体介质在动态和静态载荷下的受力和位移；

3) 在非连续性节理岩体的行为模拟方面,可使用统计的方法，将岩桥与节理平均分配在非连续性节理面上；

4) 3DEC具有三维岩体模型的显示能力，可360°旋转模型,观察岩体受力后的变形情况，并且可以直接显示应力和应变的结果。

王涛[33]等采用3DEC计算地下洞室群的围岩稳定；周家文[34]等分析考虑地震影响下楔体安全系数计算在3DEC中的实现；吴鑫[35]等通过3DEC，针对卸压孔在不同孔径下的围岩变形情况，分析了钻孔卸压在深部巷道中的效果。

在3DEC之外，王泳嘉[36]等研制开发了TRUDEC程序，并对其进行了工程验证。

4.3 PFC2D/3D

PFC系列软件是由ITASCA公司开发的颗粒流分析程序（Particle Flow Code)，分为PFC2D、PFC3D两种，特别用于模拟任意性状、大小的二维圆盘或三维球体集合体的运行及其相互作用的强大颗粒分析程序。除了模拟大体积流动和混合材料力学研究，程序更适合于描述固体材料中细观/宏观裂纹扩展、破坏累积并断裂、破坏冲击和微震响应等问题。

PFC与UDEC、3DEC相比，模拟大变形问题时块体可受力破坏分离，而UDEC不能模拟块体的破裂。PFC在岩土工程方面最初研究主要集中在介质力学特性（如本构）、破裂和破裂扩展问题上，后来逐渐扩展到大型高边坡稳定、深埋地下工程的破裂损伤、高放核废料隔离处置的岩体损伤和多场耦合等方面。比如，丁秀丽[37]等人采用PFC2D软件建立了土石混合体模型并进行双轴压缩试验；张晓平[38]等人采用PFC3D分析了单轴作用下的岩石强度特性，与室内试验结果吻合；胡欣雨[39]等人利用PFC2D模拟泥水盾构隧道掘进全过程，黏土颗粒用二维圆盘单元模拟，形象展示了失稳过程，得到了有效控制失稳关键点；扈世民[40]对大断面黄土隧道破坏模式模拟，形象展示出其破坏过程。

5. 结论与展望

考虑到对岩土工程分析对象-岩土材料特性的掌握和分析，同时岩土工程的边界条件和初始条件都非常复杂，岩土工程的分析基本不能够得到有效的解析解，而岩土工程的数值分析主要用于复杂岩土工程问题的定性分析。

目前岩土行业可以使用的数值分析软件种类繁多，但仍有较多的数值方法没有开发出有效的商用软件，应用范围有待拓展。目前绝大部分流行的数值软件都由国外公司开发维护，我国自主开发的计算程序正在逐渐退出岩土工程分析领域，未来我国岩土行业从业者应大力发展国产岩土数值分析软件。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a91c35f1c9d376eeaeaad1f34693daef5ef71367.html