的数值方法有很多,可以分为两大类:一类是连续介质力学数值方法,另一类是非连续介质力学数值方法。其中连续介质力学数值方法将岩体简化成数学意义上的连续体来进行分析,主要有:有限差分法、有限元法、边界元法、无单元法等等。 B3+WOf5W
有限差分法(Finite Difference Method,FDM)是求解偏微分方程的最重要的数值方法之一,其主要思想是将微分方程近似地用相应的差分方程来替代,从而将求解偏微分方程的问题转化为求解代数方程组的问题。 cCbr-Z&
有限元分析(finite element analysis ,fea)是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统,是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。然而,当岩体中存在着大量结构面时,将为上述接触单元和接触模型的使用带来困难,处理连续介质力学的有限单元法对于需要考虑大量结构面的非连续介质力学问题如岩石边坡稳定等,就显现出其局限性。 z?_}+
边界积分方程- 边界元法( Boundary Integral Equation-BoundaryElement Method)简称边界元法(BEM)是继有限元之后发展起来的一种有效的数值分析方法。其基本思想是以边界积分方程为数学基础,同时采用与有限元法类似的离散技术,通过将边界离散为边界元,将边界 {e
积分方程离散为线性代数方程组,再由数值方法求解线性代数方程组,从而得到原问题的边界积分方程解。 /G{3p&9
无单元法(Element-free/Mesh-less Method)是Nayroles[80]等于1992年针对有限元法的一些缺点,如网格依赖性、奇异边界等提出的一种新的数值方法。其基本方法是采用节点信息及其局部支撑域上的权函数实行局部精确逼近,通过配点法或伽辽金法得到微分方程弱形式,再选用合适的积分方案聚合整体平衡方程,从而实现对问题的求解。 D i1G
扩展有限元法[87](eXtended Finite Element Method,X-FEM)是近年来新发展起来的数值方法之一,该方法基于单位分解(PU)理论对传统有限元方法进行了扩展,引入完全独立于网格划分的非连续位移模式来表征裂纹尖端不连续界面的演化,因此计算过程中不需要预设开裂路径和调整计算网格。 m}'@S+k^
连续介质力学数值方法均采用连续体假定,必须满足应力平衡和位移协调条件,因此,在模拟岩石工程计算中,如滑坡体的变形破坏、坝基、隧道工程的失稳等方面均有一定的局限。随着计算技术的发展,出现了很多新的处理非连续介质力学的方法 1H[;7@o$e
极限平衡法是岩土工程稳定分析中最为广泛使用的一种方法。该法以摩尔库仑的抗剪强度理论为基础,对滑动岩体进行力平衡分析,结合结构面的强度参数得到抗滑稳定安全系数刚体弹簧元法(Rigid Body-Spring Model, RBSM)首先将结构体离散化为一系列块体,每个块体包含六个自由度,块体与块体之间用弹簧连接,每个块体本身均是一个刚性体。该方法本质上是由有限元法演绎而来的, ?
A#z~;X@
与有限元不同的是,刚体弹簧元在块体形心处插值,用块体形心的位移作为基本未知量,用分片的刚体位移去逼近实际整体位移场 <@j
离散单元法(Discrete/Distinct Element Method,DEM)是1971 年由Cundall[115]提出的一种分析节理岩体的数值计算方法,最初是为了模拟岩质边坡的破坏过程。