UDEC用户指导.doc

UDEC 3.0 版本3利用UDEC解决的问题本章就UDEC在处理岩石力学工程问题中的使用给予说明。在3.1部分（节）中，就实施地质力学分析可行步骤作了简述。接着从3.2节到3.10节就有关在任何模型创建和解决方法中具体（特定）方面的检测中作了介绍。内容包括： 模型的产生（3.2节）； 刚性块或可变形块分析的选择（3.3节）； 边界与初始条件（3.4节和3.8节）； 负载连续模型（3.6节）； 块体和节理构成的模型选择和材料特性（3.7节和3.8节）； 改善模型效率的方法（3.9节）； 结果说明（3.10节）。最后，地质力学领域建模思想将在3.11节中受到检验；在这领域中的初学建模者可能希望首先参考这节。在地质力学中建模方法与其他的工程领域中有显著差异，例如结构工程学。在进行任何地质力学分析时应注意这一点很重要。3.1概述（总的手段）地质工程建模过程涉及到特定的考虑和不同于上述提到的构造物体的设计理念。对于在岩土内或上面的建筑和巷道的分析和设计必须用小到微小具体位置的数据，并注意变形和强度特性可能的相当变化。在一个岩石或土地位置取得完全的现场数据是不可能的。例如，有关应力、岩性和不连续性的信息最多仅能部分了解。由于有关对于设计必须的输入数据是有限的，那么地质力学数学模型应主要用来理解影响整个系统行为的主导机理过程。一但系统行为被理解，那么就可以具体（特定）为设计过程开发出简单的预测方案。该方法适应于地质力技术工程，在这里总是缺乏好的数据，但在其他方面的应用中如果有充足数据，在设计上直接运用UDEC也许是可以的。当程序提供适当的数据，利用UDEC分析得出的结论是准确的。建模者应承认有一个连续的位置范围，如下图3.1所示。典型情况复杂地质； 简单地质； 无法得到的； 无试验预算 在某地点的花费； 调查数据 无 完整的方法 机理调查 通过参数研究 预言性的 分析支撑领域行为 （直接用于设计中）图3.1建模位置范围UDEC可以用在一种完全可预测的方式中（如图3.1右侧部分）或作为一个“数值实验室”来验证观点（如左侧部分）。决定使用类型是场地情况（和预算）而不是程序。如果有充足的高质量数据可找到，UDEC可给出良好的预测。既然多数UDEC应用适合于仅有较小数据可找到的情况，本节讨论这种推荐方法用来处理数学模型，好象是一个实验室实验。这种模型从未被认为是一个“黑盒子”，即一端接受输入的数据而另一端作出预测结果。数值“样品”必须仔细准备，多个模型被测试以获得对这个问题的理想。表3.1列出推荐的步骤，以便成功地进行数值实验。每一步将分别讨论。表3.1在地质力学中有关数值分析的推荐步骤 步骤1 定义模型分析目标 步骤2 创建该物理系统的概念图 步骤3 建立和运行简单的理想化模型 步骤4 收集具体问题的数据 步骤5 准备一系列详尽的模型的运转 步骤6 进行模型计算 步骤7 提出解释结果3.1.1步骤1：定义模型分析目标包含模型中的细节水平经常依赖于分析的目的。例如，如果这个目标是在两个相互冲突的用来打算解释一个系统行为的机理之间来确定，那么一个原始模型可以被建立，若是它使那个机理出现。在模型中复杂性使人发生兴趣仅因为它存在真实性。然而，如果这些复杂特征可能对模型的反应有很少影响，或者这些复杂特征与模型的目的无关，他们应被忽落。若必要，应从整体上考察并加以改善。3.1.2步骤2：创建该物理系统的概念图在负荷条件下，有一个问题的概念图提供预期行为的最终估计很重要。当准备该图时，有几个问题被问到。例如，是否预期到这个系统可能变得不稳定？占优势的力学反应是线性还是非线性？是否有定义明确的可能影响系统行为的非连续体，或者介质行为是否作为连续体运行？有无来自地下水的影响？系统是否被物理结构限定，或者该体系边界是否延伸到无限？在系统物理结构结构上是否几何对称？这些考虑指定了用于分析的数值模型总特征，例如网格设计、介质模型、边界条件和初始平衡状态等。他们将决定是否三维模型是必须的，或是否二维模型在物理系统中能够被用来利用几何条件。3.1.3步骤3：建立和运行简单的理想化模型当为数值模型分析使物理系统理想化时，在建立详尽模型前首先建立和运行简单的实验模型是更为高效的。简单模型在一个工程的最可能早的阶段上被创建起来，以便产生数据和理解。这些结果可对该系统概念图有更深入的洞察力；在简单模型运行之后，步骤2须重复。在任何重要的努力投入分析之前，简单模型显示可被补救的缺点。例如，选择的介质模型能充分代表所期望的运行行为吗？边界条件影响模型的反应吗？通过确认参数对分析有重要影响的参数，从简单模型中的结果也可有助于指导数据收集的计划。3.1.4步骤4：收集具体问题的数据对于一个模型分析所需的数据类型包括： 几何细节（例如，井下巷道轮廓，表面地形学，堤坝轮廓，岩石/土壤结构）， 地质构造位置（例如，断层，地层层面，节理组）， 介质行为（例如，弹/塑性特性，支柱失效行为）， 初始条件（例如，内在应力状态，孔压力，饱和状态）， 外部加载（例如，爆破加载，增压洞穴）。既然通常有大量不确定因素与特定条件情况有关（特别是，应力状态，变形和强度特性），必须为研究确定合理参数范围。简单模型运行结果经常可以证明在确定参数范围和为实验室设计以及现场实验收集必须数据中是有帮助的。3.15步骤5：准备一系列详尽的模型的运转最常见地是，数值分析将涉及一系列计算机模拟，它包括所研究的不同机理和跨越来自数据采集点的参数范围。在准备一套模型运算时，一些方面应被考虑，如下面所列。1 运行每个模型计算所需时间？如果模型运行次数过多，可能很难获得充分信息得出有用结论。考虑应在多重计算机上运行参数变量来缩短总的计算时间。2模型运行状态应在几个中间阶段保存以便整个运行不必为每个参数改变而重复。例如，如果分析涉及一些加载/卸载阶段，用户应能返回任何阶段，改变参数并从那个阶段继续进行分析。应考虑给定保存文件所需磁盘空间的数量。 3在模型中为模型结果提供清楚的解释和物理数据比较有充分数量的监控点吗？在模型中定位几个点是有帮助的，该模型参数（例如，位移、速度和应力）变化的记录在计算期间可被监控。模型中最大不平衡力也总是在每个分析阶段监控检查平衡或塑流状态。3.16进行模型计算在进行一系列的运算前，最好是首先使一个或两个详细模型分别运算。这些运转应不时停下并监测以确保响应是所预期的。一旦确信模型正在准确运行，几个模型数据文件就可以连在一起进行连续计算。在连续运转期间的任何时候，应可以解释计算，显示结果。然后，继续运行或者适当修改模型。3.17提出解释结果解决问题的最后阶段对该分析的一个清晰解释是结果的提出。这最好是以图形形式显示结果来完成，或者直接显示在计算机屏幕上或者通过绘图设备输出结果。图形结果以一定的格式显示以使直接与现场观测结果比较。平面图应清楚地确定分析所关注的区域，例如模型中计算应力集中区或运动稳定与不稳定对比区。为了更详细的说明，模型中任何变量的数值应更容易被模型建造者找到。我们推荐上述7步骤处理地质工程问题效率高。下面几节描述UDEC的应用满足模拟方法中上述每个阶段的特定方面。3,.2模型产生 UDEC在创建模型几何形状上不同于常规的数值程序。首先，一个单独的块体被创建，它具有一定尺寸且包含有所被分析物理面积；然后，该块体被划分为更小的块体，在模型中他们的边界既表示地质特征又表示工程结构。这个划分过程集合起来被称为节理发生；节理表示物理的真实的地质构造和人工结构或介质边界，它们在UDEC分析分析的连续阶段期间将会被消除或改变。在后面的情况中，节理是虚构的实体，它们的出现应不会影响模型结果。虚构节理的出现在3.2.2节中讨论。3.2.1调整UEDC模型适应问题区域UDEC模型几何形状必须充分描述物理问题，抓住所研究区域关心的地质构造中占优势的机理。以下一些方面必须给予考虑。1 地质构造用什么细节来描述（例如，断层，节理，层状层面等）？2 模型边界位置如何影响计算结果？3 若使用可变形块体，对于所研究区域什么样的区划密度是得到精确解答必须的？所有这三个方面决定了适合实际分析的UDEC模型尺寸。如果仅又几个地质特征被确认（如，两三个相交断层或宽的空间节理），这些可通过CRACK或SET命令分别被放入UDEC模型。记住，尽管UDEC是一个二维程序，但是除了特殊情况外三维效果被忽落。如果地质结构不能充分描述，象平面特征应平面分析一样，那么三维分析（例如，用Itasca程序3DEC）是需要的。单个特征参数可用两种方法进行输入。使用CRACK命令，特征（结构）端点被给定；使用JSET命令，倾斜角和沿特征的一个定位点被描述。例如，crack (0,0) (10,10)或jset (45,0) (20,0) (0,0) (100,0) (5,5)可被用来定义一个45倾角的节理，沿节理一点坐标为（5，5）在UDEC计算中，为了使节理被承认，节理必须是连续的。也就是，它必须把一块体一劈为二。然而，一个节理可能由几个不同角度的相邻部分组成。CRACK和JSET两者都生成不连续节理部分。（SPLIT命令有与CRACK相同的格式，但它不会生成不连续节理）。例如，一个锯齿形状节理可用这些命令在3.1例中创建。例3.1锯齿形状节理 round 0.1 block 0,0 0,10 10,10 10,0 crack 0,5 2.5,6 crack 2.5,6 5,5 crack 5,5 7.5,6 crack 7.5,6 10,5 CRACK命令在本例中可以以任何顺序给定。如果被后来进入的裂隙所分割，内部裂隙被保存在一个临时文件中并被使用。当模型开始（STEP或CYCLE命令）执行时，节理生成过程后剩余的任何内部或部分穿透裂隙会被删除。当块体发生变形（GEN命令）时，内部或部分裂隙自动删除。它们也可以用JDELETE命令人工删除。指定块体的圆角长度局部地影响节理的生成。最小块体边缘长度被定义为圆角长度的两倍。因而，节理部分可能背离满足该标准。例如，文件例3.2显示如果一个裂隙用两倍圆角长度内的定位端点来详尽说明，该裂隙穿过圆角重新布置。UDEC对于这种重新布置并不警告用户，用户通常用PLOT block 命令来检验。例3.2圆角长度对裂隙生成的影响 ro 0.2 bl 0,0 0,10 10,10 10,0 cr 0.3,0 9.7,10如果圆角长度被减少到0.1，那么裂隙定位在特定位置。SET edge命令允许用户人工确定最小块体边长度。用该命令，用户可为解决精确度设定一个小的圆角长度，但避免小的边长块体，因此有相反的高宽比（看下面）。例如，如果命令SET edge 0.4和ROUND 0.1被指定，那么边长小于0.4的块体不会创建，块体圆角长度为0.1。这些命令必须在BLOCK命令之前给出。在一个模型中所描述的节理数（也就是，块体数目）是有限的。这与模型区域范围和块体分区数目（如果可变形块体被使用）有联系。基于计算机可用内存的实际限制在第二章表2.2中有总结。在节理产生期间这些限制必须紧记。通常，总是从几个节理开始，逐渐增多，如果授权，可得到所期望的响应。在模型中生成复杂节理结构的欲望应忍住。这种方法在3.11中作深入探讨。自动节理生成器在UDEC中可以找到，生成基于实测数据的节理组（也就是，节理倾角、间距、长度和间隙）。在附录E中，一些例子通过JSET命令生成器可获取和描述。一个特定的节理生成器程序可找到并生成Voronoi形多边形。这用VORONOI命令可获得；应用实例在附录E中。高级用户可能希望写自己的节理生成器。通过为生成器程序输出定义好的节理部分端点x、y坐标列表，并在两双端点前用CRACK命令来实现。FISH命令可以用来使这个过程自动化。这个列表然后可立即被读入UDEC中。作为选择，一个图形数字转换仪器可用来生成成对的坐标。记住UDEC中的节理作为UDEC模型中的直线部分被显示出来；许多部分需要适合一个不规则的节理结构。建模者必须决定UDEC节理几何形状与现场实际节理形式匹配的水平。不规则几何形状对节理响应的影响也可通过节理介质模型加以考虑例如，沿节理变化的特性。值得提及的是，模型边界必须距研究区域足够远以使模型不受相反地影响。边界效应在3.4节中被描述。一般说来，对于单个底下开采（坑道）分析，边界应大体上距离巷道周边约坑道直径的5倍远。然而，合适距离取决于分析的目的。若失效是主要所关心的，那么模型边界可近一些，若位置重要，那么边界距离可增加。采用用作评估边界效应的模型做实验很重要。从粗劣的模型和支架开始，当改变到边界的距离的时侯边界会影响使用的固定的和自由的边界条件。改变边界的结果效应可以用所研究范围内应力或计算位移的形式来评估。有关边界效应的例子可看3.4节。一旦块体划分完成及边界确定，接下来的步骤是用不同的区划块体密度来实验模型。区划最高密度区是处于高应力或应变区（例如，坑道附近）。为了达到高精度，区划尺寸高宽比（也就是，三角形地与高之比）尽可能一致，任何事物超过5:1 都存在潜在地不精确性。在相临块体间区域尺寸不要有很大的跳跃是明智的。为了合理的计算精度，临近块体间区域面积之比大体上不要超过4:1。3.2.2创建内部边界形状当调整UDEC模型适应有问题的区域时，块体边界也必须定义与自然问题的边界形状相一致。这些可以是描绘坑道的内部边界或空洞描绘外部边界，例如，象堤坝这样的人造结构或象山坡这样的天然结构。如果自然问题有一个复杂的边界，评估简化对必须回答的问题是否有影响很重要也就是，一个较为简单的几何形状是否足够复制这些重要节理。在解决过程开始之前，在模型模拟中（包含将要添加的区域或在模拟后面的阶段中创造的坑道）所有被描述的物理边界必须被定义。在连续分析中，随后将添加的结构形状必须被定义，然后 “移去”（通过CHANGE cons=0 或ZONE model null） 直到它们被激活的适当阶段。边界形状的创建用下面的命令来完成： CRACK JSET TUNNEL ARC每个命令把块体切成一块或更多部分，它们以期望的形状组装在一起。CRACK和JSET命令创建直线节理部分。TUNNEL和ARC命令把直线节理部分变成环状节理部分。在多数情况下，在人造特征之前自然特征应在模型中创建。例如，在例3.3中，节理结构产生，接着圆形隧道开掘。例3.3节理岩体中隧道的产生 round 0.05 block 6 6 6 6 6 6 6 6 jset 110,0 20,0 0,0 .50,0 1.85, .77 jset 5,0 100,0 0,0 100,0 0.77, 1.85 jset 5,0 100,0 0,0 100,0 1.85, .77 jset 5,0 100,0 0,0 100,0 0,2 tunnel 0 0 2 32这个问题的模型在图3.2中显示。有一个倾角110间距0.50的节理和三个单独的倾角为5的节理。圆形隧道的原点为（x=0,y=0），半径为2，边界有32个节理部分组成。由JSET命令创建的节理穿过隧道周边。图3.2 节理组生成后创建的隧道因为隧道是圆形的，隧道挖掘可用DELETE annulus命令。 delete range annulus 0,0 0,2作为可供地选择，如果TUNNEL命令在JESET命令之前出发，节理不会穿透隧道边界（图3.3）。通过给定坐标范围然后挖掘隧道是可能的： delete range .1, .1 .1, .1图3.3 节理组生成前创建的隧道这种设备仅请求TUNNEL命令。如果首先给定TUNNEL命令，模型应该被检测确保隧道内非节理区的存在不会影响初始应力状态。把在没有隧道的模型中的应力分布比喻为带有隧道边界的确保证应力状态不受影响的模型的应力分布。不管自然节理和内部边界（虚构的）节理的生成顺序，用户必须关心隧道边界的虚构节理不影响模型的响应。周围块体必须被粘在虚构节理上来阻止滑落和分离。这需要通过给粘聚力和抗拉强度设置高值来实现。剪切和垂直强度必须设置足够高以阻止块体间不同节理位移。给这些强度设置高值来防止沿虚构节理的运动是引人注意的。然而，在UDEC中时间步骤计算是基于这些强度的如果很高的强度被指定，这些响应（结果集中）将很慢。建议使用与小节理一致的最低强度。一个重要原则是节理强度和被设置为强度最硬临近区域同等强度的10倍。一个区域中的等效强度在垂直方向上是 （3.1）在这里，&分别是体积和剪切模量； 是垂直方向临近区域最小宽度。（图3.4）符号表示，采用节理所临近区域上的最大值（例如，可能有几种临近节理的介质）。对于虚构节理其节理特性可以通过CHANGE命令改变（见2.6.2节）。例如，对于上例中隧道节理，其节理属性可被下面键入的语句改变： change jmat=2 range ann 0,0 1.99,2.01从原点（x=0,y=0）起在半径r1=1.99和r2=2.01之间环行区域内所有节理有一个节理属性数2。这个变化可通过下面键入语句改变： plot mat joint然后虚构节理的属性可通过PROPERTY jmat=2命令指定。一个终点关系到模型生成。当使用连续体程序时，利用巷道形状对称条件以减少模型尺寸是合适的。对称条件不可能被利用于不连续体程序，这是因为除了特殊情况外不连续特征的存在阻止了对称性。例如，在图3.2中强加一条垂直对称线通过模型是不可能的，因为模型中节理未在在垂直轴线周围对称分布。在UEDC中轴对称几何图形找不到是此原因。这将暗示节理有圆柱形和圆锥形。图3.4强度计算中的区域尺寸3.3 可变形块体对刚性块体的选择非连续体分析的一个重要方面是决定用刚体或可变形块体描述完整介质行为。关于刚形体对可变形块体的思考在本节中讨论。若可变形块体分析是必须的，有几个可变形模型来模仿块体变形，这些在3.7节中讨论。在附录C中，早期不同元素代码假定块体是刚性的。然而，包括可变形块体的重要性已被认识。特别是，由于地下巷道稳定性分析和掩体结构地震效应研究。一个极重要的理由包含在要素分析中的块体可变形，是需要代表所定义岩体的迫松比作用。岩体力学问题通常对岩体迫松比的选择很敏感。这是由于节理和完整性岩石对压力的敏感性。破坏准则受限应力函数（例如，摩尔库仑准则）。对于一个有意义的数学模型，确定岩体迫松比是关键。岩体有效迫松比包含两部分：（1）一部分由于节理（2）一部分由于完整岩体弹性特征。除了在浅埋深或者低应力水平时，总的来说完整岩体可压缩性对一块岩体压缩性有影响。那么完整岩体迫松比对节理岩体迫松比有显著影响。严格地说，单个迫松比仅定义给各向同性的弹性材料。然而，定义被用来讨论各向异性的材料的迫松比效应很方便。当垂直方向受载和水平方向上无应变时，迫松比效应定义为水平垂直应力之比。平面应变条件被假定。作为一个例子，各向同性弹性材料迫松比为： （3-2） 在图3.5中通过垂直节理模型图显示，考虑理想迫松比的形成。如果节理用刚性块体模仿，用垂直压力根本不产生水平应力。这么明显地未认识到，是因为完整岩体迫松比产生的水平压力被忽略。 节理和完整岩体行动连续。换句话说，作用在节理和岩石上的应力是相同的。节理岩体应变总和是节理岩块应变和可压缩岩体应变之和。作为整个岩体弹性特征可通过加上节理和完整岩块一致性推：图3.5 在具有垂直和水平节理岩体中迫松比效应模型 （3.3）如果完整岩石作为各向同性弹性材料被模仿，它的依从矩阵是： （3.4）对应于节理的依从矩阵是： (3.5）在这里S是节理间距，是节理正常硬度。如果在公式（3.3）中，那么 （3.6） 在这里，这样，岩体泊松效应总体来说是： （3.7）方程（3.7）在图3.6中以之比函数画曲线曲线图是几个UDEC模拟运算结果来验证公式。是完整岩体强度与节理强度关系的测量。对于的低值，岩体迫松比效应受完整岩体弹性特性控制。对于高值，迫松比效应受节理控制。现在考虑不同倾角的节理产生的迫松比效应。迫松比是方位和节理弹性特征的函数。考虑到图3.7中的特例。岩体包含两组同等间距和倾角的节理（从水平面）。节理弹性特征包含垂直强度和剪切强度。完整岩体块体被认定为完全刚性。图3.6 垂直节理泊松比效应（=0.3 完整岩体）节理图泊松比效应是： （3.8）本公式以不同角度在图中用曲线表示，也用UDEC数值模拟结果表示。UDEC模拟结果与公式（3.8）非常稳合。图3.7 在具有水平倾角和间距节理的岩体中泊松比效应模型图3.8 不同角度节理岩体泊松比效应（刚性块体）公式（3.8）表明在数值模拟中，节理剪切强度用实测值的重要性。剪切与垂直强度之比对岩体泊松比效果有显著的影响。若二者相等，泊松比影响为0。对于更为合理的比值，从2.0到10.0，泊松比很高，达到0 .9。接下来，对于=45情况完整岩体弹性作用将作检验。下面是对于垂直节理的分析，完整岩体作为各向同性介质。岩体弹性起源于节理与完整岩体的连贯性。由于两组45倾角空间节理依从矩阵是：那么，作为一个整体的岩体泊松效应比是： （3.9）对于=0.2的情况，在图3.9中以不同比值作曲线图。UDEC计算模拟结果在图上标出。对于的低值，岩体泊松比效应受整个岩块弹性特征控制。对于的高值，岩体泊松比效应受节理控制。图3.9 两组=45空间节理泊松比效应（块体可变形=0.2）3.4边界条件数值模型边界条件包括用来描述模型边界的现场变量（例如，应力、位移）。边界分为两类：真实和人工的。真实边界存在于被模拟的客观对象中例如，隧道表面或者地表。人工边界在现实中不存在，但它们必须被引入以便包围所选元素（例如，块体）。强加在每个模型上的条件是相同的。这些条件必须被首先讨论。那么（在3.44节中），一些关于人工边界的选择、边界位置以及它们对解决问题的影响的建议被作出。力学边界有两种主要形式：规定位移和规定应力。一个自由面是规定应力边界的一个特例。这两种力学边界在3.41节和3.42节中被描述。有第三种类型，“边界元素”边界（在3.44节中探讨），它包含人工边界。被用来进行动态分析的粘性边界和自由边界在附录K中被叙述。3.4.1 应力边界由于断层，一个UDEC模型边界免受应力和任何限制。通过BOUNDARY命令，压力或应力被施加在任何边界或部分边界上。平面内各应力张量（xx ,yy ,zz）用关键字stress确定。例如，这个命令（如下面代码） boundary stress 0, -1e6 , -2e6 range 0,10 -1,1将会把xx = 0、yy= -106、zz= -2106应用到位于坐标窗口0x10 、-1y1范围内的模型边界。这可以用下面的命令实现： print boundary每个外部边界角将有指定边界代码列出。（见第5章中boundary命令）。在模型计算期间边界可位移，因此用户必须检查当BOUNDARY命令执行时坐标窗口大到足够包含适当的边界角。作为选择，边界条件在两个边界角之间可具体指定。受影响边界顺时针从第一个边界地址运行到第二个边界地址。角地址可通过这个命令找到： print boundary state角地址在COR标题栏下列出。确定角范围比确定角地址更好，因为地址使用是相关的问题也就是，若命令顺序改变或使用不同的UDEC版本，地址也会变化。压缩应力用“”号与UDEC内部应力总的符号规则一致。UDEC实际上运用应力成分作为压力或阻力，它们来自作用于给定边界平面的应力张量。阻力分为两部分：永久的和临时的。永久阻力是连续负载，瞬时阻力是随时间变化的负载。通过用history关键字在相同命令中同stress关键字。用于动力学分析。不同时间变化经历形式被应用，包含有直线变化、正弦或余弦波以及用户提供的函数，这些在第5章中描述（见BOUNDARY history）。历史也可作为一个FISH函数来应用。利用可确定力的矢量分量x和y的关键字xload和yload，单个力可被应用于模型边界。刚性块体也可用LOAD命令分配负载。刚性块体负载作用在质心。3.4.1.1 应用应力梯度BOUNDARY命令可以用另外的关键字xgrad和ygrad，它们允许在一定范围内应力或压力线性变化。三个参数随这些关键字在x和y方向上描述应力成分的变化： xgrad sxxx sxyx syyx ygrad sxxy sxyy syyy应力随着到坐标原点x=0、y=0的距离作线性变化： （3.10）在这里，、和是在原点处的应力的分量。该特性的操作可用下面的一个例子作最好的解释： boundary stress 0,0,-10e6 ygrad 0,0,1e5 range - .1, .1 -100,0原点（x=0,y=0）处应力是： 有关应力yy随y变化的方程为： yy= -10106+（105）y在y= -100处yy的值是-20106。在两点之间，y变化是测量对从原点的相对y距离。通常地，应用的应力梯度被用来再现由于重力作用随深度变化的应力增加效果。保证应用的梯度与INSITU命令指定的梯度和重力加速度值（SET gravity命令）一致很重要。就该问题3.5节给予详细说明。3.4.12 改变边界应力如上面论述，对于动态分析，瞬时加载可能用history关键字来完成。对于静态分析，在UDEC模拟计算期间改变采用的应力值也是必须的。例如，定位点负载可变化。为了实现在现存应力或负载中的突然变化，一个新的BOUNDARY命令被给出，伴随着在原来的命令中包含同样边界角的范围，但随应力值变化或改变。在这种情况中，新值将添加到现存值上。若应力被移去，现在的值将给一个相反的符号。若瞬间负载被改变（也就是，负载被history关键字指定），具有相同历史类型的新负载被加到现存负载上。然而，新的具有不同历史的瞬时负载替代旧的瞬时负载。3.4.1.3 打印和绘制平面图边界应力和负载可用PRINT bound和PLOT xcond或PLOT bound ycond命令确定。PRINT bound命令把边界角地址连同目前值和每个角的指定条件一起列出。一旦BOUNDARY命令发出，边界角列表在模型外边界生成。不考虑该地区受BOUNDARY命令的影响。可选的关键字用PRINT bound命令检查沿边界的不同条件。例如， print bound force列出在目前负载阶段永久力（,）和增加力（,）。若瞬时加载被运用（用BOUNDhist命令），总压力指永久力加上目前运行的瞬时力。运用所选择边界角间的边界条件的必须角地址可用下面命令找出： print bound statePLOT bound xcond或者ycond命令用符号表示x或y方向的被运用的边界状态。3.4.1.4警告和建议在这节中，一些与应力边界有关的各种混杂的困难被描述。运用UDEC，把应力用于无位移限制的实体边界是可能的。（不象一些有限元程序，需要一些限制。）实体将与真实岩块以相同的方式反应也就是，若边界应力不平衡，那么整个实体将开始移动。例3.4以示例说明该效果。例3.4 当模型处于不平衡时发生旋转 ro 0.01 bl 0,0 -3,9.54 6.54,12.54 9.54,3 gen quad 2.0 prop mat=1 dens=2400 bulk=8e9 shear=5e9 bound stress -2e6,0,0 range -3.1,0.1 -0.1,9.55 bound stress -2e6,0,0 range 6.5,9.55 2.9,12.6 step 500 plot block disp所生成图形在图3.10中给出。应用11引起水平力作用在实体上。因为实体倾斜，这些力产生的瞬间引起实体旋转。当被应力边界支持的实体介质被挖出时，一个相识的但更为精细的效果出现了。实体在重力下最初是平衡的，但介质移掉减轻了重量，整个岩体然后开始向上运动。例如，3.5所示范：例3.5 当介质被移去时抬升 round 0.01bl 0,0 0,10 10,10 10,0crack 0,5 10,5gen quad 1.0prop mat=1 dens=1000 bulk=8e9 shear=5e9 jkn=1e10 jks=1e10set grav 0,-10bound stress 0,0,-1e5 range 0,10 -0.1,0.1bound xvel=0 range -.1, .1 0,10bound xvel=0 range 9.9,10.1 0,10insitu stress 0,0,-1e5 ygrad 0,0,1e4hist ydisp 5,2.5step 300change cons 0 range 0,10 5,10step 100plot hist 1图3.10 倾斜体受力引起的旋转位移运行这个数据文件遇到的问题可通过固定底部边界被消除，而不是用应力支持它。3.4.4节包含一些与人工边界相关的信息。最后，应力边界影响所有自由度，因此速度边界必须在应力边界影响相同的边界角后被描述。若应力边界在速度边界之后使用，描述速度的作用将失去。例3.6证明该问题：例3.6 应力速度混合边界条件 ro 0.01 bl 0,0 0,10 10,10 10,0 gen quad 2,0 prop mat=1 den=1000 bu=8e9 sh=5e9 bound yvel=0 range 0,10 - .1, .1 bound stress -1e5,0,0 range - .1, .1 0,10 bound stress -1e5,0,0 range 9.9,10.1 0,10 bound stress 0,0,-2e5 range 0,10 9.9,10.1 hist yd 0,0 cycle 100 plot hist 1 plot block vel当应力边界被使用时，岩模型底部边界固定的y向速度边界条件在左右角处被去掉。当模型负载时，历史图显示，这些点向下移动。3.42 位移边界位移在UDEC中不可能直接受到控制。实际上，它们在计算中不会发生作用，象附录C中解释的那样。为了把给定位移应用到边界，固定边界和描述一定步骤的边界速度是必须的（用BOUNDARY命令）。如果需要的位移是D，速度V被请求时间T增量(也就是，D=VT)，这里T=tN，t是时间步长，N是步数（或循环次数）。在实际中，V应保持很小而N很大以便尽可能小的减少系统模型的振动。沿边界而不是与x、y轴周围一起在x或y方向（BOUNDARY xvel或yvel）、垂直或切向方向（BOUNDARY nvel或svel），BOUNDARY命令被用来确定可变形块体栅格速度。刚性栅格块体速度可用FIX命令（以当前的速度）来确定。如果FIX被INITIAL命令领先，速度可以确定用用户选定的值。速度也可以随FISH函数改变。通过BOUNDhist命令，时间变化速度历史可应用于刚性和可变形块体。关键字history一定会出现在BOUND xvel和BOUND同一线上来描述速度历史。历史也可被用作FISH函数。象在3.4.1.4节中所述，速度边界常在应力边界之后被分配。对于可变形块体，固定的速度条件可用BUOND xfree或BOUND yfree命令来去掉；对于刚性块体，则可用FREE命令来去掉固定的边界条件。通过在指定的速度关键字后添加关键字gvel，速度也可以在指定边界范围上进行线性变化。六个参数紧跟关键字gvel 来描述x或y向速度组成成分的变化： gvel vx0 vy0 vxx vxy vyx vyy速度随着到总坐标原点（x=0，y=0）的距离作线性变化： vx = vx0 + (vxx)x + (vxy)y vy = vy0 + (vyx)x + (vyy)y (3.11)在这里，vx0和vy0是原点处的速度分量。3.4.3 真实边界选择正确类型有时要知道应用于被模拟实体特定表面边界条件是困难的。例如，在模拟实验室三轴实验中，负载是通过作为应力边界的压盘进行施加或压盘作为刚性位移边界吗？当然，整个试验机器被模仿，但可能很花时间。记住，若在强度上有很大对比，UDEC将花很长时间收敛。一般说来，如果施加荷载的物体与样品相比很硬（比方说，硬20多倍），那么它可以作为刚性边界。如果它与样品相比是软的（假如，软20倍），那么它可以模拟应力控制边界。明显地，作用在实体表面的流体压力属于后种类型。为了找到岩体崩溃载荷，节理岩体立足点作为连续速度运动的刚性边界。该方法有另一个优点可较为容易控制和获得一个好的荷载/位移曲线图。众所周知，刚性试验机比柔性试验机更稳定。3.4.4 人工边界人工边界分为两类：对称线和截断线。3.4.4.1 对称线有时利用在一个系统中几何形状和负载关于一条线或更多条线对称这个事实是可能的。例如，如果任何事物关于垂直线对称，在这种线上的水平位移将为0。因此，我们可在x方向上画边界线，确定所有栅格点，这要用BOUND xvel=0命令。若在对称线上的速度已不再为0，它们要用这个命令设置为0。在考虑该情况时，垂直对称线y向分速度不受影响它不应固定。同样，这种考虑亦适合于水平对称线。BOUND nvel=0命令可用来设置和坐标轴成一定角度的对称线。象在3.2.2节中讨论的那样，不连续体的出现使对称线的使用更加困难。在UDEC中使用对称线时，建模者应经常认真研究节理方向的影响。3.4.4.2 边界断截线 当模拟无限体（例如，地下巷道）或者非常巨大岩体，由于内存和计算机时间的限制用块体包含整个岩体是不可能的。人工边界放置到距离所关注区域足够远的地方，该区域行为不受很大影响。知道边界放置距离所关注区域有多远和在关注区域计算应力及位置预期出现的错误是有用的。在弹性介质中的含有两个巷道的模型上实施一系列数值计算模拟试验。这个模型仅包含习惯的虚构节理并创建两个隧道。最小模型在图3.11中表示，最大模型在图3.12中显示。在所有运行中，块体内的分区尺寸是相同的，因此离散效应被消除。两项测量需要做大巷顶部中点垂直位移和两巷间煤柱中点垂直应力。原地应力比为2：1（垂直与水平应力之比）。对于每个矩形边界几何图形。两项运行被处理：连续边界应力和零边界位移。此外，运行与UDEC中边界元素有关。（见3.4.4.3节）例3.7包含关于连续应力边界、固定边界和边界元素情况的典型数据文件。在图3.13中，结果以非空间形式被总结。测量位移和应力被标准化为渐近线值；边界尺寸值是宽和高的平均值，“实体尺寸”是两巷间平均距离。从图3.13中可得到几个注意事项：1 固定边界引起应力和位移被低估，然而应力边界正相反。2 两种类型的边界状况包含真正的解决方法，以便于用小边界做两个实验并通过平均两个结果获得真实解决办法是可能的。3 作为一个大致的指南，对于边界和实物尺寸之比为5时，对于固定应力边界其应力和位移误差大约是6%。4 对于最靠近的边界元边界其误差约0.5%。从这些结果可以看出边界元素是提供人工边界模拟无限媒体的最好方法。然而，有一个困难；边界元解决方案需要强度矩阵被计算和保存。存储可以为大模型强加过量内存。（目前UDEC版本限制边界元素节点数目不超过300个。）尽管有这个限制，边界元素对于一些问题是最为高效的计划。在从事一系列运转前，一些初步实验以不同类型的需要比较的边界形式进行。上述的数值模拟试验适于弹性体。这也许表示最坏的情况，因为当塑性行为存在时，位移和应力变化更加受限。在该活动最经常出现的范围内有一个自然删除距离。人工边界可以稍微放在更远的无严重误差的地方。然而，任何人工边界不必充分接近，它引起塑性流变或阻止节理位移。因此，使解决方案失效。例3.7 截断边界上的数值模拟试验set log on; data file for testing boundary effects; Boundary size/Object size=1.5; 1) stress boundary; 2) fixed boundary; 3) boundary-element boundary;round 0.01block -10.5 -8.5 -10.5 8.5 10.5 8.5 10.5 -8.5; smaller tunnelcrack -10.5 1.5 10.5 1.5crack -6.5 8.5 -6.5 -8.5crack -10.5 -4.5 10.5 -4.5crack -2.5 8.5 -2.5 -8.5; larger tunnelcrack 10.5 4.5 -10.5 4.5crack 0.5 8.5 0.5 -8.5crack 10.5 -1.5 -10.5 -1.5crack 6.5 -8.5 6.5 8.5;gen quad 1; material propertyprop mat=1 d=1850 k=7.814e9 g=4.69e9prop mat=1 coh=9.95e20 fric=30 ten=10e20; glue jointsprop mat=1 jkn=1e14 jks=1e14 jcoh=1e20 jten=1e20;save geom.sav;head21 x 17 block, Boundary size/Object size =19/13 =1.46, Stress Boundary; constant boundary stress condition (Sv/Sh=2)bound stress (0,0,-20e6) range -10.6 10.