數(shù)值巖土力學(xué)

連續(xù)變形數(shù)值分析方法

這類方法主要包括有限差分法、有限元法、邊界元法、無限元法等, 其中以有限元法應(yīng)用最為廣泛,這類方法主要分析巖土介質(zhì)的連續(xù)小變形和小位移特性。有限元法在連續(xù)性分析方面取得了很大的成功, 但在解決前處理問題、應(yīng)力與應(yīng)變解答不連續(xù)問題和進(jìn)行任意路徑開裂計算等方面還存在著一些局限。為了充分考慮巖土介質(zhì)的非連續(xù)性、非均勻性和多相性等物理特性, 必須對這些連續(xù)變形分析方法, 特別是有限單元法進(jìn)行深入的改進(jìn)和發(fā)展。

以連續(xù)介質(zhì)大變形分析為目的的拉格朗日元法在實際工程中也得到了較好的應(yīng)用。拉格朗日元法運用流體力學(xué)中跟蹤質(zhì)點運動的物質(zhì)描述方法, 即拉格朗日拖帶坐標(biāo)系方法, 利用差分格式, 按顯示時步積分方法進(jìn)行迭代求解, 根據(jù)構(gòu)形的變化不斷更新坐標(biāo)系, 以此模擬巖土介質(zhì)的有限變形和大位移行為?；诶窭嗜赵碚? 美國的ITASCA 咨詢集團于20 世紀(jì)80 年代編寫的專用程序FLAC 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡、基礎(chǔ)、壩體、隧道、地下采場和硐室等巖土工程分析中。拉格朗日元法可以同時考慮巖土體的材料非線性和幾何非線性, 并能跟蹤物體變形的全過程, 適于分析巖土力學(xué)中的大變形問題。這種方法避免了有限元法進(jìn)行大型矩陣的復(fù)雜計算, 但時間步長的選擇成了一個新的突出問題, 時步過大會導(dǎo)致解答的不穩(wěn)定, 時步太小則會使計算時間過長 。

非連續(xù)變形數(shù)值分析方法

界面單元有限元法

為了推廣有限單元法, 使其能夠處理簡單的非連續(xù)問題, 人們提出了各種能夠反映非連續(xù)變形性質(zhì)的簡單力學(xué)模型和特殊界面單元, 并將其應(yīng)用于單一性非連續(xù)界面力學(xué)行為的模擬中。這些模型主要包括聯(lián)結(jié)單元(Linkage Element)、無厚度接觸單元或節(jié)理單元(Joint Element)、薄層單元(Thin-LayerElemen)和接觸-摩擦單元(Contact-Friction InterfaceElement)等。

界面單元有限元法將巖土介質(zhì)視為準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì), 仍以連續(xù)分析為主, 但可以對個別具有控制作用的宏觀非連續(xù)面的變形與破壞力學(xué)行為進(jìn)行重點分析, 在工程中得到了廣泛應(yīng)用。同時, 該方法也存在諸多的局限性, 如只能對原生的非連續(xù)界面進(jìn)行計算, 對次生的非連續(xù)界面無法進(jìn)行處理、界面單元數(shù)目不能設(shè)置太多、界面彈簧剛度的選取較為困難等。因此, 該方法在處理復(fù)雜的非連續(xù)變形問題時仍顯得無能為力。

剛體-彈簧模型或剛性有限元法

剛體-彈簧模型將離散后的塊體視為剛體, 塊體之間用界面上的法向彈簧和切向彈簧相聯(lián)結(jié), 以塊體形心處的剛性位移為基本變量, 用分片的剛體位移模式逼近實際整體位移場, 以塊體間的聯(lián)結(jié)彈簧反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彈性, 并用界面應(yīng)力表征結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力。這類模型主要包括剛體-彈簧模型(RBSM)、剛性有限元、分塊剛體位移-界面應(yīng)力元和塊體-彈簧模型等。此類模型的界面特性均服從Coulomb 摩擦定律, 對體系的靜力學(xué)約束條件考慮得比較充分, 在連續(xù)狀態(tài)的應(yīng)力分析方面可給出較高的計算精度, 對于臨界狀態(tài)能夠估算出極限荷載,并可有效的用于少量塊體界面間的摩擦接觸分析。

但這類方法過分強調(diào)巖土體結(jié)構(gòu)面的作用, 對結(jié)構(gòu)體的變形沒有給予足夠重視。雖然這種方法可以用于原生界面的破壞分析, 但不能模擬實際巖土體的破壞發(fā)展過程, 也無法模擬破壞發(fā)展導(dǎo)致的次生界面的非連續(xù)變形行為和塊體失穩(wěn)后的運動過程。

基于塊體理論的非連續(xù)變形分析方法

基于塊體理論的非連續(xù)變形分析方法主要以離散塊體系統(tǒng)為研究對象, 針對巖土體的非連續(xù)與非均勻的特點, 將巖土體視為完全非連續(xù)介質(zhì), 對構(gòu)成離散系統(tǒng)的各個子塊的運動和變形進(jìn)行數(shù)值分析。其中研究較多且具有代表性的方法有離散單元法、非連續(xù)變形分析方法和流形元方法等。

離散單元法(DEM)是由美國學(xué)者Cundall 等提出的。它是以被軟弱結(jié)構(gòu)面切割而成的離散塊體為基本單元進(jìn)行分析的, 在塊體間的接觸約束下運用牛頓運動定律描述各塊體的運動過程。離散單元法可分為動態(tài)松馳法和靜態(tài)松馳法兩種。目前離散單元法大多采用動態(tài)松馳法。動態(tài)松馳法把非線性靜力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為動力學(xué)問題進(jìn)行求解, 用顯式中心差分法近似對運動方程進(jìn)行積分計算, 并假設(shè)塊體在運動時將動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉, 在計算中引入人工粘性阻尼, 使系統(tǒng)達(dá)到平衡、運動趨于穩(wěn)定。經(jīng)過近30 年的發(fā)展, 離散單元法已成為模擬巖土體非連續(xù)大變形行為的十分有效的數(shù)值方法之一。

目前, 二維離散單元法已趨于成熟, 一些商業(yè)化軟件已經(jīng)進(jìn)入實用階段, 用于解決一些工程實際問題。自1988 年Cundall 發(fā)表三維離散元的具體算法以來, 三維離散單元法也得到了迅速發(fā)展。國內(nèi)劉連峰和焦玉勇兩位學(xué)者的工作較有代表性。但是由于三維問題算法的復(fù)雜性, 特別是塊體間接觸判斷算法的復(fù)雜性, 使得從二維離散單元法向三維離散單元法的過渡花費了近20 年的時間, 而且目前仍處于研究階段。

非連續(xù)變形分析方法(DDA)是繼離散單元法之后, 于20 世紀(jì)80 年代末發(fā)展起來的一種更新的用于模擬散體系統(tǒng)力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值分析方法。1988年, 石根華博士發(fā)表了博士學(xué)位論文“DiscontinuousDeformation Analysis :A New Numerical Model fo rthe Static and Dy namics of Block Systems” , 這標(biāo)志著DDA 方法的誕生。該方法得到了國際認(rèn)可, 受到了美國巖石力學(xué)權(quán)威學(xué)者Cook , Goodman , Desai 和Zaman 的極力推崇。為了推廣DDA 方法, 從1996年起, 每兩年召開一次國際非連續(xù)變形分析會議, 以進(jìn)行這一領(lǐng)域研究成果的及時交流。這一方法在其誕生后的10 余年時間里, 發(fā)展速度非?？?。與有限單元法相似, 非連續(xù)變形分析方法用隱式方程表達(dá),所不同的是它引入了運動方程, 用最小勢能原理把塊體之間的接觸問題和塊體本身的變形問題統(tǒng)一到矩陣的求解中, 理論嚴(yán)密, 精度較高, 而且把靜力和動力、正分析和反分析統(tǒng)一起來, 不僅可以計算破壞前的小位移, 也可以計算破壞后的大變形, 對滑動、崩塌、爆炸和貫入等問題也十分有效, 是一種不同于DEM 的新的數(shù)值計算方法。

由于DDA 方法在運動約束方面做得比較充分,理論上比較嚴(yán)密, 且靜力和動力分析采用了統(tǒng)一的數(shù)值計算格式。因此, 在結(jié)構(gòu)、巖體和土體的非連續(xù)大變形力學(xué)過程模擬方面發(fā)揮了較大潛力。

流形方法

有限單元法將巖體理想化為完全連續(xù)介質(zhì),離散單元法等則將巖體抽象為完全非連續(xù)介質(zhì)即離散介質(zhì), 這其實是走向了問題的兩個極端。將連續(xù)變形與非連續(xù)變形統(tǒng)一起來的方法將更適于進(jìn)行實際巖土體變形的分析。因此, 近年來另一種更新的數(shù)值方法--流形方法引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。

流形方法是石根華博士應(yīng)用流形的覆蓋技術(shù)建立的一種把有限元法、非連續(xù)變形分析方法和解析方法包含在內(nèi)的全新的統(tǒng)一計算方法。由于流形方法可在統(tǒng)一的理論框架下處理連續(xù)與非連續(xù)性變形問題而引起了許多學(xué)者的興趣, 成為目前計算巖土力學(xué)的熱門課題。

流形方法的優(yōu)點主要表現(xiàn)在它具有相對完善的非連續(xù)變形處理功能, 可以在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)理論框架下同時處理連續(xù)問題與非連續(xù)問題。流形方法較有限單元法更適于進(jìn)行開裂模擬, 但由于受網(wǎng)格連接與單元劃分的限制, 流形方法在開裂計算上仍存在一定的困難。

無單元類方法

對于巖體這種介于連續(xù)介質(zhì)與完全非連續(xù)介質(zhì)之間的材料, 溝通連續(xù)變形與完全離散體的非連續(xù)變形的橋梁是巖體中的地質(zhì)非連續(xù)面的擴展、貫通等的破壞行為, 它是聯(lián)接巖體變形過程中初始階段終了階段的一條紐帶, 在整個巖體變形過程中, 這些非連續(xù)面的變形、擴展以及失穩(wěn)對整個工程巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。而現(xiàn)有的基于網(wǎng)格劃分的方法均是基于單元離散思想的, 在分析裂紋擴展時, 都面臨兩方面的問題:

1)網(wǎng)格重新劃分的問題;

2)裂紋擴展結(jié)果受到網(wǎng)格劃分形式嚴(yán)重影響的問題。

無單元類方法因具有無須單元網(wǎng)格劃分、前后處理簡單、較傳統(tǒng)有限單元法更適合斷裂問題的計算分析等優(yōu)點而受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。無單元類方法在進(jìn)行裂紋擴展模擬時不再存在傳統(tǒng)有限單元法的重新剖分網(wǎng)格的困難, 而僅僅在裂尖局部區(qū)域內(nèi)布置節(jié)點, 大大簡化了前處理過程, 在剖分策略上, 無單元法較傳統(tǒng)的有限單元法更適于斷裂問題的計算分析。

對于以無單元伽遼金法(EFGM)為代表的無單元類方法, 現(xiàn)有研究成果大多集中在裂紋擴展的模擬方面, 在將無單元方法應(yīng)用于巖土力學(xué)的數(shù)值計算方面仍存在很多困難, 如非連續(xù)材料插值函數(shù)的構(gòu)造、摩擦接觸問題和多體相互作用問題的處理等還需作進(jìn)一步的研究。

漸進(jìn)破壞模型

近年來, 一些學(xué)者從細(xì)觀力學(xué)的角度, 利用掃描電鏡對巖石的細(xì)觀時效損傷特性和損傷力學(xué)行為(包括巖石的細(xì)觀組構(gòu)、初始細(xì)觀損傷特性、單調(diào)拉伸和壓縮加載條件下的巖石強度、變形和細(xì)觀破壞特性, 以及細(xì)觀條件下巖石的時效損傷發(fā)展、蠕變特性和破壞性態(tài)等)進(jìn)行了大量的細(xì)觀試驗分析, 這些研究成果得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

巖石細(xì)觀損傷演化實驗表明, 巖石斷裂破壞的實質(zhì)是巖石在受力過程中微裂紋的萌生、擴展直至貫通的結(jié)果, 是巖石微觀結(jié)構(gòu)變形破壞累積的宏觀反映?，F(xiàn)有的各種數(shù)值計算方法, 仍然只能處理連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題, 即使一些非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(如DEM 和DDA)也難以考慮巖石從細(xì)觀破裂到宏觀破壞的過程。對于巖石介質(zhì)而言, 模擬基于細(xì)觀分析的巖石宏觀變形、損傷直至破壞、失穩(wěn)的過程以及研究地基、滑波、地震和巖爆等非穩(wěn)定現(xiàn)象仍然是一個難題。

漸近破壞模型是通過對材料微結(jié)構(gòu)的演化和局部變形行為的研究, 對材料在變形、損傷與破壞時所產(chǎn)生的本質(zhì)現(xiàn)象和因果關(guān)系進(jìn)行模擬的方法。與各種已有的數(shù)值計算方法不同, 它注重對材料的細(xì)觀斷裂機理與斷裂規(guī)律的研究, 側(cè)重對事物內(nèi)在機理的模擬。漸進(jìn)破壞模型是在對復(fù)合材料和巖石等脆性材料的破壞研究中提出的。這類方法一般包括兩個方面, 即應(yīng)力分析和破壞分析。應(yīng)力分析可以采用解析方法和有限元法, 破壞分析是根據(jù)一定的破壞準(zhǔn)則檢查材料結(jié)構(gòu)中是否有單元破壞。對于巖石等脆性材料而言, 東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心研制開發(fā)出了相應(yīng)的巖石漸進(jìn)破壞分析軟件RFPA。RFPA 軟件通過考慮材料的非均勻性來模擬材料非線性, 通過單元的弱化來模擬材料的變形和破壞等非連續(xù)力學(xué)行為。該法在對裂紋擴展、巖層移動、震源孕育模式、微震活動和復(fù)合材料破壞等的數(shù)值模擬方面取得了良好效果。

耦合方法

除了上述各種數(shù)值方法與計算模型外, 耦合計算方法也得到了發(fā)展與應(yīng)用, 如有限元與邊界元的耦合、有限元與離散元的耦合、離散元與邊界元的耦合等, 這些耦合方法可分別發(fā)揮各種方法的優(yōu)點并進(jìn)行耦合提高。

這些數(shù)值方法中, 以有限元法為代表的連續(xù)變形分析方法在實際巖土工程中的應(yīng)用較為廣泛, 特別是對于巖體比較完整、節(jié)理裂隙密集且符合統(tǒng)計規(guī)律、裂隙不貫通的巖體更是如此。從學(xué)科發(fā)展來看, 在普遍意義上更符合實際巖體變形特點的非連續(xù)變形分析方法將具有廣闊的發(fā)展空間。上述巖土力學(xué)數(shù)值方法的發(fā)展過程也表明了這種趨勢, 但連續(xù)性分析、開裂以及非連續(xù)性分析的統(tǒng)一問題長期沒有得到很好解決, 有待于進(jìn)行更深入的理論研究 。

隨著巖土工程領(lǐng)域的不斷擴展與延伸, 數(shù)值分析方法得到了長足的發(fā)展, 分析模式不斷改進(jìn), 分析精度不斷提高。但巖土工程材料是一種復(fù)雜的地質(zhì)材料, 具有高度非連續(xù)性、非均勻性以及各向異性等地質(zhì)特點, 在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出強烈的非線性、非彈性等力學(xué)行為。因此, 只有不斷改進(jìn)數(shù)值分析的思路與方法, 使其能更好的模擬實際巖土材料的工程力學(xué)性質(zhì), 才能更好的指導(dǎo)巖土工程實踐。

無單元類方法的無網(wǎng)格技術(shù)和流形方法的有限覆蓋技術(shù)是近年來新興數(shù)值分析方法中獨具特色的新技術(shù)。前者無需有限單元網(wǎng)格劃分, 對求解域的剖分僅用一系列點進(jìn)行, 此法簡單易行, 特別適于進(jìn)行斷裂擴展分析。后者經(jīng)大量計算表明是一種切實可行的統(tǒng)一處理連續(xù)與非連續(xù)變形問題的有效途徑。兩種方法各有優(yōu)點, 互補性很強。連續(xù)與非連續(xù)變形統(tǒng)一分析技術(shù)、裂紋擴展分析的無單元技術(shù)和非連續(xù)變形分析方法中的散體接觸、運動處理算法等將為發(fā)展新興的更為綜合的數(shù)值算法提供極好的工具和思路, 將會有力的推動計算力學(xué)與計算巖土力學(xué)的發(fā)展 。2100433B

巖石和土都是經(jīng)歷過變形、遭受過破壞的地質(zhì)體, 受其成因、組成、結(jié)構(gòu)、演化過程、生成年代及其所處的大地構(gòu)造環(huán)境等諸多因素的影響, 巖土材料具有高度的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質(zhì)特征, 在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出強烈的非線性和非彈性。巖土工程是一門綜合應(yīng)用巖石力學(xué)、土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)等基本知識和手段解決實際工程建設(shè)中有關(guān)巖體與土體變形及穩(wěn)定問題的學(xué)科, 它的主要任務(wù)是在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件、自然環(huán)境和人類活動中確保巖體和土體不會因強度不足或變形過大而使巖體和土體本身發(fā)生局部或整體的失穩(wěn)破壞, 使與巖體和土體緊密相依的建筑物或構(gòu)筑物不會失去正常穩(wěn)定的條件或喪失工程功能。

近30 年來, 隨著大型水利水電工程、土木工程、采礦工程、公路工程、鐵路遂道工程等的迅速發(fā)展,作為巖土工程基礎(chǔ)學(xué)科的巖土力學(xué)得到了長足的發(fā)展。世紀(jì)性和特大型的工程實踐活動為巖土力學(xué)的發(fā)展賦予了巨大的動力, 同時也提出了許多復(fù)雜的巖土力學(xué)新課題。

解決巖土力學(xué)問題的方法主要有實驗方法、理論分析方法和數(shù)值模擬方法三大類。這三類方法相輔相成, 互為補充。其中數(shù)值模擬是解決巖土工程問題的較有效的手段, 已被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受, 作為一種力學(xué)狀態(tài)的分析工具, 它越來越多的應(yīng)用于巖土體的穩(wěn)定分析、巖土工程設(shè)計和巖土工程基本問題分析中。

近30 年來, 巖土力學(xué)數(shù)值分析方法得到了迅速發(fā)展, 出現(xiàn)了有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM )、邊界元法(BEM ) 、無限元法(IEM) 、拉格朗日元法(LEM) 、剛體彈簧模型或剛性有限元法(RBSM 或RFEM)、離散元法(DEM) 、非連續(xù)變形分析方法(DDA)、無單元法(EFM) 、流形元法(MM)及其耦合的數(shù)值計算方法和以數(shù)值模擬為主的漸進(jìn)破壞模型等各種數(shù)值分析技術(shù)。這些數(shù)值分析方法可大致分為連續(xù)變形分析方法和非連續(xù)變形分析方法兩大類, 它們分別將巖土體介質(zhì)抽象為連續(xù)介質(zhì)模型和離散體系模型兩大類進(jìn)行數(shù)值計算 。

巖土力學(xué)辦刊宗旨

開展學(xué)術(shù)與經(jīng)驗交流，促進(jìn)巖土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，繁榮中國巖土力學(xué)和巖土工程事業(yè)，為中國國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù) 。

巖土力學(xué)形象標(biāo)識

下圖為該刊的形象標(biāo)識，圖中的圖形為該刊刊名抽象型LOGO（巖土層、力） 。

巖土力學(xué)出版發(fā)行

據(jù)2019年7月8日中國知網(wǎng)顯示，《巖土力學(xué)》出版文獻(xiàn)共13464篇 。

據(jù)2019年7月8日萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺顯示，《巖土力學(xué)》載文量為10100篇，基金論文量為7116篇 。

巖土力學(xué)影響因子

據(jù)2019年7月8日中國知網(wǎng)顯示，《巖土力學(xué)》總被下載5032270次，總被引267107次，（2018版）復(fù)合影響因子為2.439，（2018版）綜合影響因子為1.604 。

據(jù)2019年7月8日萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺顯示，《巖土力學(xué)》被引量為175098次，下載量為568348次；據(jù)2015年中國期刊引證報告（擴刊版）數(shù)據(jù)顯示，《巖土力學(xué)》影響因子為1.61，在全部統(tǒng)計源期刊（6735種）中排第338名 。

巖土力學(xué)收錄情況

巖土力學(xué)榮譽表彰

該刊曾獲得“湖北省優(yōu)秀期刊”、“湖北省優(yōu)秀精品期刊”、“湖北省十大最具影響力自然科學(xué)期刊”、“百種中國杰出期刊”（2009、2011、2017）、“中國精品科技期刊”（2011、2017）、“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”（2012、2013、2014、2015、2017、2018）等榮譽稱號，獲得《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊等獎項 。

巖土力學(xué)欄目方向

• 主要欄目

《巖土力學(xué)》主要設(shè)有巖土力學(xué)與巖土工程研究、工程實錄、測試技術(shù)與方法、學(xué)術(shù)討論、學(xué)術(shù)與工程動態(tài)、學(xué)術(shù)講座等欄目 。

• 報道內(nèi)容

《巖土力學(xué)》主要報道巖土力學(xué)與球科研和通實踐的最新成果，主要內(nèi)容有巖土力學(xué)、巖土工程、數(shù)值模擬、測試技術(shù)與測試方法、綜述、討論、信息、學(xué)術(shù)與球動態(tài)、學(xué)術(shù)講座等內(nèi)容 。

• 讀者對象

《巖土力學(xué)》主要讀者對象是勘察、設(shè)計、施工、科研單位的科技人員、工程技術(shù)人員以及大專院校相關(guān)專業(yè)師生等 。

巖土力學(xué)人員編制

據(jù)2019年7月期刊官網(wǎng)顯示，《巖土力學(xué)》第九屆編輯委員會擁有編委94人、顧問委員5人 。

巖土力學(xué)學(xué)術(shù)交流

2011年10月15年-17日，由《巖土力學(xué)》協(xié)辦的“第十二屆全國巖石動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨國際巖石動力學(xué)專題研討會”在北京市召開。來自中國及新加坡、挪威、瑞士、加拿大、臺灣地區(qū)等相關(guān)學(xué)科的專家、學(xué)者、科學(xué)與工程技術(shù)人員及礦大部分師生150多人出席會議 。

2013年10月12日-13日，由《巖土力學(xué)》協(xié)辦的“第一屆全國非飽和土與特殊土力學(xué)及工程學(xué)術(shù)研討會”在重慶市召開 。

2014年11月5日-6日，由《巖土力學(xué)》協(xié)辦的“中國建筑學(xué)會地基基礎(chǔ)分會2014年學(xué)術(shù)年會”在四川省成都市召開。來自中國（包括香港地區(qū)）各地高等院校、科研機構(gòu)、勘察、設(shè)計、施工等單位的360余名代表參會 。

2018年12月20日-21日，由《巖土力學(xué)》協(xié)辦的“第五屆土木工程國際學(xué)術(shù)會議（ICCE 2018）”在江西省南昌市召開。來自中國國內(nèi)外高校和研究機構(gòu)以及工程單位的土木工程、巖土工程相關(guān)專業(yè)人士就相關(guān)科技發(fā)展的前沿展開了學(xué)術(shù)交流 。