基于岩土工程数值方法应用的研究

1、基于岩土工程数值方法应用的研究 【摘要】本文主要介绍了土层锚固体界面分形特征测量过正中，土层锚固体分形维度的测量方法，以及土层锚固体界面分形特征数据采集及处理方法，旨在获取土层锚固体的分形数据源，并对所获得的数据进行科学合理的处理。 【关键字】土层锚杆；锚固体界面；分形特征；分形数据 引言 随着计算机功能的不断强大和电子信息技术的不断突破，岩石力学数值方法得到了快速的发展，有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法、块体元法、无限元法、流形元法及其混合应用等多种数值方法的出现和应用，解决了岩石力学工程中复杂的计算和预判问题，实际岩土工程设计和分析发生了极大的变化。 虽然数值方法可以进行仿真模拟，

2、但是在实际工程中，岩体具有非连续、非均质、各向异性、天然初始地应力影响、地下水影响及复杂边界条件处理等诸多复杂性，岩石力学数值方法还在不断改进和完善中。总体来说，岩土工程数值方法在岩土工程的作用会越来越大？，随着其可靠度的不断提高，数值方法将会起到至关重要的作用。 1、有限元理论及ansys软件介绍 1.1有限元基本理论 有限单元法出现于40年代，被应用于飞机结构分析，有限元这个术语是1956年turner首先使用的。一般来说，任何能用微分方程描述的物理现象，都能够通过变分原理建立的有限元方法来模拟，所以有限元的应用非常广泛。不但可以解决像荷载位移问题，还可以解决渗流、热传导等问题。 有限元法

3、的基本思想是用分段逼近的方法， 从力学分析上讲，有限单元法是将连续体离散，化为一系列不连续的、在节点处彼此邻接的单元体，从而提出一个在物理上与实际的系统充分近似的模型。各单元可以有各种不同的力学形态，并用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续体的力学特性，就是这些小单元力学特性的总和，并由此建立各种物理量的平衡关系，因而能更正确地模拟岩体的实际状态。 1.2ansys软件简介 ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多

4、物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算机结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ansys软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型的多种计算机设备上，如pc、sgi、hp、sltn、dec、ibm、cray等。 2、巷道模型建立 2.1有限元模型的基本假设 数值模拟的可靠度在一定程度上取决于所选取的计算模型。本次的数值模拟从解决工程实际问题的角度出发作了一些必要

5、的假设： （1）视岩土体为连续均质、各向同性的力学介质。 （2）不考虑地下水、地温对巷道稳定性的影响。 （3）因矿体埋深比较大，忽略地表地形对采场围岩应力分布的影响。 2.2本构模型及力学参数选择 岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀。描述这类材料的强度准则时，采用了drucker-prager 屈服准则，使用 drucker-prager 屈服准则的材料简称为 dp 材料。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力（静水压力

6、）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。 2.3几何模型及单元划分 巷道模型采取1：1尺寸模拟。建立了直墙拱形断面。一般来讲，对于大范围的模拟分析，其模拟范围取到所考察对象的3倍即可满足要求，因此初步确定模型计算的边界如下：巷道周围小边界上下为4倍洞径，左右为5倍洞径。 2.4巷道稳定性研究过程 。运用控制变量的方法，对不同水平不同因素作用下，对表征量的变化和分布特点进行对比分析。 （1）首先在锚杆预应力同为30mpa，垂直压力为20mpa时，比较侧压力系数对支护的影响，侧压力系数为0.8，1，1.2分析不同侧压力系数下巷道支护的应力，应变情况。 （2）侧压力系数均为1.2，锚杆预应

7、力同为30mpa，垂直压力为10mpa，20mpa时研究垂直压力对巷道支护的影响。 （3）侧压力系数同为1，垂直压力同为20mpa，有无预应力，研究预应力对支护的影响，分析衬砌轴力，弯矩的情况得出相应的结论。 （4）侧压力系数均为1，锚杆预应力同为30mpa，垂直压力为20mpa，对有无反底拱研究。研究增加反底拱后支护的轴力，弯矩，分析研究反底拱对支护的作用。同时分析研究直墙拱和矩形两种断面，分析研究反底拱对不同断面形式影响的大小。 最后得出：增加反底拱与没有反底拱有很大区别，增加了反底拱之后，两帮的弯矩减小，等效应力也减小，两帮通过反底拱将力传递，有效避免了两帮的破坏。增加反底拱之后，两帮锚

8、杆的拉力减小。因此增加反底拱我们可以适当减少锚杆数量。 （1）通过对塑性应变图的研究发现，支护要重点控制顶板及两帮围岩塑性区的扩展，加大锚杆锚索的预紧力，以及加密布置锚杆。 （2）通过应力云图比较发现，底板底角出会出现应力集中现象，为了防止底臌现象的发生采取巷道底部锚杆向下倾斜一定角度的支护措施进行巷道支护。 3、结论 随着实验手段的不断提高和新型实验仪器的不断面世，现场实验数据的采集越来越准确，克服了数值模拟中参数难确定的难题，模拟时参数的准确性直接提高模拟的准确度。数值模拟软件的开发和应用也在不断突破，如flack的二次开发等，使模拟的实用性越来越强。上述因素决定了数值方法在岩土工程中的作用会越来越重要。 参考文献（references）： 1王泳嘉.边界元法在岩石力学中的应用，岩石力学与工程学报，1986，5（2）：205222（wang yongjia. the application of boundary element method in rock mechanics），1986， 5（2）：205222）. 2cundall p a.a comprter model for simulating progr