UDEC中文指导说明

PAGE－PAGE98－通用离散元用户指导（UDEC3.1）2004.9目录1引言 11.1总论 11.2与其他方法的比较 21.3一般特性 21.4应用领域 32开始启动 42.1安装和启动程序 42.1.7内存赋值 42.1.9运行UDEC 52.1.10安装测试程序 52.2简单演示－通用命令的应用 52.3概念与术语 62.4UDEC模型：初始块体的划分 82.5命令语法 92.6UDEC应用基础 102.6.1块体划分 102.6.2指定材料模型 162.6.2.1块体模型 162.6.2.2节理模型 172.6.3施加边界条件和初始条件 192.6.4迭代为初始平衡 212.6.5进行改变和分析 242.6.6保存或恢复计算状态 252.6.7简单分析的总结 252.8系统单位 263用UDEC求解问题 273.1一般性研究 273.1.1第1步：定义分析模型的对象 283.1.2第2步：产生物理系统的概念图形 283.1.3第3步：建造和运行简单的理想模型 283.1.4第4步：综合特定问题的数据 293.1.5第5步：准备一系列详细的运行模型 293.1.6第6步：进行模型计算 293.1.7第7步：提供结果和解释 303.2产生模型 303.2.1确定UDEC模型合适的计算范围 303.2.2产生节理 323.2.2.1统计节理组生成器 323.2.2.2VORONOI多边形生成器 343.2.2.3例子 343.2.3产生内部边界形状 353.3变形块体和刚体的选择 383.4边界条件 423.4.1应力边界 423.4.1.1施加应力梯度 433.4.1.2改变边界应力 443.4.1.3打印和绘图 443.4.1.4提示和建议 453.4.2位移边界 463.4.3真实边界－选择合理类型 463.4.4人工边界 463.4.4.1对称轴 463.4.4.2截取边界 463.4.4.3边界元边界 493.5初始条件 503.5.1在均匀介质中的均匀应力：无重力 503.5.2无节理介质中具有梯度变化的应力：均匀材料 513.5.3无节理介质中具有梯度变化的应力：非均匀材料 513.5.4具有非均匀单元的密实模型 523.5.5随模型变化的初始应力 533.5.6节理化介质的应力 543.5.7绘制应力等值线图 553.6加载与施工模拟 573.7选择本构模型 623.7.1变形块体材料模型 633.7.2节理材料模型 643.7.3合理模型的选择 653.8材料性质 713.8.1岩块性质 713.8.1.1质量密度 713.8.1.2基本变形性质 713.8.1.3基本强度性质 723.8.1.4峰后效应 733.8.1.5现场性质参数的外延 773.8.2节理性质 803.9提示和建议 813.9.1节理几何形状的选择 813.9.2设计模型 813.9.3检查模型运行时间 823.9.4对允许时间的影响 823.9.5单元密度的考虑 833.9.6检查模型响应 833.9.7检查块体接触 833.9.8应用体积模量和剪切模量 833.9.9选择阻尼 843.9.10给块体和节理模型指定模型和赋值 843.9.11避免圆角误差 853.9.12接触嵌入 853.9.13非联结块体 863.9.14初始化变量 863.9.15确定坍塌荷载 863.9.16确定安全系数 863.10解释 883.10.1不平衡力 883.10.2块体/网格结点的速度 883.10.3块体破坏的塑性指标 893.11模拟方法 893.11.1有限数据系统模拟 893.11.2混沌系统的模拟 903.11.3局部化、物理的不稳定性和应力路径 911引言1.1总论通用离散元程序（UDEC，UniversalDistinctElementCode）是一个处理不连续介质的二维离散元程序。UDEC用于模拟非连续介质（如岩体中的节理裂隙等）承受静载或动载作用下的响应。非连续介质是通过离散的块体集合体加以表示。不连续面处理为块体间的边界面，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的“应力－应变”准则，表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力－位移”的关系控制。在UDEC中，为完整块体和不连续面开发了几种材料特性模型，用来模拟不连续地质界面可能显现的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模拟块体系统的变形和大位移。UDEC包含了功能强大的程序语言FISH函数。借助于FISH函数，用户可以编写自己的功能函数，扩展UDEC的应用功能。FISH函数为简化分析，适应特殊要求的UDEC的用户，提供了一个强有力的工具。UDEC采用的离散单元法理论由Cundall（1971）首次提出，至今已经过了20多年的发展。在1985年，Cundall博士和Itasca公司在IBM系列兼容微机上开发了UDEC工程计算应用程序。该软件为建立数以千块模型的高速计算而设计。基于浮点运算速度的优势和低成本的内置RAM，用UDEC程序可大大地提高了计算大规模问题的能力。例如，在具有4MBRAM的微机上，UDEC能够求解2500个刚体（或1000个具有8个自由度变形体）的模型。该模型的求解速度大约为每分钟200次。在RAM确定的情况下，其计算速度是与模型的块体数量成线性关系。对于典型的模型，约1500个刚体（或500个变形体）或更少，在UDEC中采用的显式解法，大约需要2000～4000计算步可以获得问题的解。例如，一个500个变形块体的模型，计算4000步大约需要6min。因此，典型的工程问题用UDEC计算仅需几十分钟或几个小时。UDEC是一个命令驱动（而不是菜单驱动）的计算程序。尽管菜单驱动程序易于初次学习，但在UDEC中所提供的命令驱动结构具有如下优点：1、输入的“语言”是基于可识别的文字命令，使你易于识别每一个命令的作用（例如BOUNDARY命令，是指施加模型的边界条件）。2、工程模拟通常是按照系列施工顺序构成――即，构造原岩应力，施加作用的荷载、开挖隧道、安装支护等。一系列（从文件或键盘上）输入命令完全对应于实际的施工顺序。3、根据文本编辑器，很容易对UDEC数据文件进行编辑和修改。几个数据文件能相互连接，进行多个问题求解，这对于进行参数的灵敏度分析是十分有用的。4、命令驱动结构允许用户开发前后处理程序，控制UDEC必要的输入/输出。用户可以为一系列UDEC的模拟，编写节理模拟函数，产生特定的节理结构。可采用FISH程序语言，并插入到输入的文件中，使计算很容易实现。1.2与其他方法的比较对于UDEC程序，一个共同的问题是，UDEC是一个有限元程序还是离散元程序？他们的主要区别是什么？UDEC程序与其他程序有何关系？为回答上述问题，下面将给予解释。许多有限元、边界单元和拉格朗日有限差分程序都具有“界面单元”或“节理单元”，使程序能够模拟问题中的不连续面，扩大程序的应用范围。然而，他们的公式在一个或多个方面通常受到限制：首先，当考虑很多相互切割的节理就可能打乱系统的逻辑关系；其次，不可能自动识别新的接触面进行自动考虑；第三，计算公式可能有小位移和无转动条件限制，所以通常适用连续介质的程序。术语“离散单元法”（Discreteelementmethod）意味着：（a）允许离散块体发生有限的位移和转动，包括完全脱离；（b）在计算过程中，自动识别新的接触面。在不连续介质中，如果没有第一个属性，程序不可能产生某些重要的机理。如果没有第二个特性，程序将限制在事先已知的相互作用的有限块体数。离散元法（Distinctelementmethod）是由Cundall和Strack（1979）采用变形接触和显式、时间域的初始运动方程（而不是变换，块体方程）提出的特殊的离散单元法程序。离散单元法的计算机程序主要有以下四类：1、DistinctElementPrograms－该类程序采用显式时间步直接进行运动方程的求解。块体可以是刚体或变形体（通过细分成单元）；接触面是可变形的。UDEC就属此类。2、ModalMethods－该类方法类似于刚体离散单元法，但对于变形体采用模型叠加技术。3、DiscontinuousDeformationAnalysis－接触是刚体，块体可以是刚体或变形体。通过迭代算法可以获得非嵌入条件；块体变形性基于应变模型的叠加。4、Momentum-ExchangeMethods－接触面和块体都是刚体：块体接触面在瞬时碰撞的过程中惯性矩发生交换，可以表征滑动和摩擦特性。1.3一般特性UDEC主要用于岩石边坡的渐进破坏研究及评价岩体的节理、裂隙、断层、层面对地下工程和岩石基础的影响。UDEC对研究不连续特征的潜在破坏模型是十分理想的工具。当地质结构特征明显且易于明确描述的情况适宜使用该程序进行分析。UDEC开发了人工或自动节理生成器，用以模拟产生岩体中一组或多组不连续面。在模型中，可以产生变化范围较大的节理模式。屏幕绘图工具允许用户随时观看节理模型。在最后确定所选择的节理模型前，能容易进行调整与修改。也可以获得不同的节理材料特性。基本模型是指定节理弹性刚度、摩擦角、粘结力、张拉强度和剪胀特性的库仑滑动准则。对该模型的改进包括随着位移的发展而粘结力和张拉强度的降低弱化。在此还可获得一个比较复杂的模拟连续屈服的节理模型，用以模拟弱化为累积塑性剪切位移函数的连续变化特性。作为一个选择模型，还可获得Barton－Bandis节理模型。节理模型和性质参数也可分别赋给单一节理或节理组。应当注意，即使地质图上所显示的节理为直线段，节理的几何粗糙度也可以通过节理材料模型加以表征。UDEC的块体可以是刚体或变形体。对于变形块体，开发了包括用于开挖模拟的空模型（null）、应变硬化/软化的剪切屈服破坏模型以及非线性不可逆的剪切破坏和压缩模型。因此，块体能被用来模拟回填、土体介质以及完整岩石。UDEC的基本公式假设为二维平面应变模型。此条件涉及断面保持为定值，并在平行于该断面的平面上作用荷载的无限长结构。所以，非连续面也被假设为平面特性。另外，UDEC提供了一个平面应力问题的选择。对于平面应变分析，如果在垂直于平面方向的应力，为最大或最小主应力，在垂直于平面方向，块体可能出现塑性屈服，UDEC的显式求解算法允许进行动态或静态分析。对于动态计算，用户指定的速度或应力波可作为外部的边界条件或者内部激励直接输入到模型中。一个简单的动态波型库也可以获取。UDEC为动力分析设计了自由边界条件。在静态分析中，包括了应力（力）和固定位移（速度为零）两种边界条件。边界条件在不同的位置可以是不同的。同时，在UDEC中还可以获得边界元边界，用于模拟无限弹性边界。也可以获得半平面解用来描述自由面效应。UDEC还能够模拟通过模型中的孔隙和不连续面的流体流动。在此认为块体是不可渗透的。岩体的渗透率取决于节理的力学变形。也能够进行力学－流体全耦合分析。反过来，节理水压也将影响力学特性。流体被处理为平行板的粘性流。程序中的结构单元可用于模拟岩体加固和工程表面支护。加固包括端部锚固、全长锚索和锚杆。表面支护模拟诸如喷射混凝土、混凝土衬砌和其他形式的隧道支护。UDEC包含一个强有力的程序语言，FISH，能够使用户定义新的变量和函数。FISH是一个编辑器。通过UDEC数据文件进入程序被翻译并储存在内存中。1.4应用领域UDEC最初是为节理岩石边坡的稳定性分析开发的。对于块体不连续公式和运动方程（包括惯性项）采用显式时间步求解方法？？？，便于块状岩体边坡的渐进破坏分析和大变形运动研究。UDEC常用于采矿工程，已经进行了深部地下采矿洞室的静态与动态分析。洞室围岩破坏诱发的断裂、滑移是用UDEC分析研究的实例之一。通过在模型的边界施加动应力或速度波研究爆破影响。地震诱发的断层滑移也通过采用连续屈服节理模型进行了研究。结构单元已经用于模拟全长岩锚和喷射混凝土的各种岩体加固系统。UDEC还应用于地下结构和深部高辐射废料的储存研究领域。通过应用热模型，UDEC已经应用于模拟与核废料相关的热荷载效应。UDEC在作为一个计算设计工具，仍受到一定的限制。然而，程序较适用于研究节理效应的潜在破坏机理。节理岩体特性是一个“有限数据系统”－即，在很大程度上内部结构和应力状态是未知和不可知的。因此，建立一个完备的节理模型是不可能的。而且，UDEC是一个二维程序，除了特殊情况外，不可能表征具有三维结构的节理模型。不过，应用UDEC程序，可以从现象学的角度研究节理岩体地下工程开挖响应。该方法可加深岩石力学设计中各种不同现象的相互影响的理解。采用这种方法，工程师能够通过识别地下工程可能产生不可接受的变形或加载导致的破坏机理，从而揭示工程所潜在的诸多问题。值得注意的是，UDEC程序对于模拟颗粒流动或动态分析火山喷发是不适宜的。对于该类研究，可以采用PFC2D程序。2开始启动2.1安装和启动程序本节为首次使用UDEC的用户提供指导。如果你熟悉该程序仅仅是偶尔使用，你会发现本节尤其是2.6节对于改变你原有印象是有帮助的。UDEC程序共有65个主命令，有接近400个关键词。2.1.7内存赋值UDEC自动调节内存大小达到8MB。可以通过下列命令查询、改变内存值：UedcmUedc14Printmem如果更多的内存可以获得，其内存能够通过应用环绕磁盘文件获得额外内存。表2.2给出了最大块体数与所需内存的关系。表2.年2RAM与最大块体单元RAM（MB）最大刚性块体数最大变形块体数*240030042500100087500300016150007000*假设每块体8个自由度。块体最大数随自由度的增加而减少。2.1.9运行UDECcallfile.dat2.1.10安装测试程序有三个简单的数据文件，test1.dat、test2.dat、test3.dat用于程序测试。2.2简单演示－通用命令的应用Block(0,0)(0,20)(20,20)(20,0);产生一个块体plotblock;显示该块体划分初始块体成小块体。Crack(0,2)(20,8)Crack(5,3)(5,20)Crack(5,12)(20,18)固定最下和最左块体，使之不可移动的命令如下：fixrang0,200,5fixrang0,50,20该命令固定形心处在0<x<20，0<y<5和0<x<5，0<y<20范围内的所有块体的当前速度（即为零）。然后块体和节理所需的材料性质通过性质号予以赋值，即propmat=1dens=2000propjmat=1jkn=1.33e7jks=1.33e7jfric=20.0对于该问题，所有的块体密度被指定为2000kg/m3。所有的节理切向刚度和法向刚度分别被指定为1.33e7，节理面的摩擦角为20o。下面将会发现，不同节理和块体可以赋予不同性质参数。其次，在x和y方向的重力加速度可以通过如下命令予以赋值：setgravity0，-10.0为了吸收振动能量，引入阻尼命令damplocal上述命令是UDEC的缺省阻尼条件，因此，DAMPlocal实际上并不需要。我们在此仅仅是强调这是静态分析。对于该点，问题很容易被执行。正如在后面能看到的，通过观测特定点的岩体运动有助于进行工程特性判断。在该问题中，我们监测模型右角点y方向的速度，记录该运动所采用的命令是：histyvel(20,20)type1关键词type是在屏幕上以指定的间隔显示其值。Step100;迭代次数在计算过程中，当前的循环数，计算时间、最大不平衡力，在点（20，20）的y方向速度以每间隔10次显示在屏幕上。Plothist1TitleHEAD>ASIMPLESLOPESTABILITYEXAMPLEEQUILIBRIUMSTAGEPlotblockSaveslope.sav通过最左边的块体来研究边坡的特性：deleterange0,50,20命令delete将删除形心位于0<x<5，0<y<20范围内的所有块体。同时，采用Step或cycle命令继续进行计算。Cycle1000Plotblockvelocity2.3概念与术语UDEC所涉及的一些术语大部分与其他应力分析程序类似。在UDEC模型中采用一些特殊的术语来描述不连续面特征。按分类给出如下的基本定义。图2.6给出所给出的术语定义。UDECMODEL－UDEC模型：是用户为模拟实际的物理模型建立的。当称之为UDEC模型，就意味着为数值求解定义的求解条件的一系列命令。BLOCK－块体：是离散单元计算的基本单元体。通过切割一个块体成多个小的块体产生UDEC模型。每一块可能与其他块体分离或通过界面力与其他块体相互作用的独立块体。CONTACT－接触：每一块体通过点接触与相邻块体连接。接触可以认为是施加外力到每一块体的边界条件。DISCONTINUITY－不连续面：是分离岩体成离散部分的地质特征。不连续面包括岩体中的节理、裂隙、断层和其他不连续特征。图2.6UDEC模型的例子DOMAIN－区域：是指块体间的空洞或空间。DOMAIN在UDEC模型中被处理为实体。每一个DOMAIN是由两个或多个接触面确定的封闭区域。外DOMAIN是指围绕UDEC模型的区域。ZONE－单元：是由有限个单元组成的变形块体。在每一单元计算力学变化和温度变化。在UDEC采用三角单元。GRIDPOINT－结点（或节点）：节点包括有限单元的角点。每一单元涉及三个节点。一对x和y坐标定义每一个节点。因此确定了有限单元的精确位置。另一节点的术语是node。MODELBOUDARY–模型的边界：是一个UDEC模型的周边。边界与模型的外区域一致。内边界（即模型内的孔洞）也是模型的边界。每一内边界通过内区域定义。BOUNDARYCONDITION－边界条件：是约束或控制模型的边界（即对于力学问题固定位移或外力）。INITIALCONDITION－初始条件：模型受扰动（开挖）或加载（支护）前的原岩应力状态。NULLBLOCK－开挖块：表示模型中的空域（即材料不存在）。空块体可在后来加以改变，例如，模拟回填（但一旦块体从模型中删除，就不可能恢复）。STRUCTURALELEMENT－结构单元：用来表征结构（如隧道衬砌、锚杆和锚索）与岩体的相互作用的一维单元。结构单元也可以具有材料非线性。在大应变模型中可以出现几何非线性。STEP－求解（或迭代）：尽管一个大的问题需要上万次计算才能达到稳定解，但一般典型问题的求解需要2000～4000次循环，可以获得系统的平衡或稳态流。STATICSOLUTION－静态解：当模型中动能的变化速率接近可以忽略的情况时，UDEC就认为达到了静态或拟静态解。UNBALANCEDFORCE－不平衡力：表示当静力分析中的力所处于的不平衡状态（即节理开始滑动或塑性流动）。DYNAMICSOLUTION－动力解：尽管系统的缺省为静态求解过程，但可以进行动态分析。对于动态分析，全运动方程（包括惯性项）可被求解。动能的消耗产生直接影响。2.4UDEC模型：初始块体的划分UDEC模型首先生成整个计算范围的单一块体。然后，通过用地质结构特征（如断层、节理裂隙等）和工程结构（如地下洞室与隧道等）作为边界，切割该块体成小的块体来考虑模型特征。模型的所有块体都是通过块体质心和角点的坐标（x和y）确定。块体接触面以及变形块体的节点也通过他们的坐标位置确定。产生模型包括由端点坐标（x，y坐标）所定义的线段（splits）切割模型块体。UDEC模型所有的条目（块体、角点、接触面、空区、节点和单元）都是通过位于主数组中的地址编号，由UDEC自动的、唯一识别和确定。这些编码号也可以用作特殊的单元。编码系统并不是顺序编码，所以用户必须通过绘图或打印加以识别。例如，图2.7说明一个UDEC模型块体在x和y方向皆为10个单位（比如10m）。模型通过一水平不连续面（x=0,y=5tox=10,y=5）划分成两个块体。这两个块体具有编号为2和118。块体通过位于块体角点之间的接触面连接。接触号是223和260。内部区域由两个接触面产生并由内部区域号297所识别。显示在图2.7中的模型由列在下表中的命令产生。block(0,0)(0,10)(10,10)(10,0)Crack(0,5)(10,5)plotholdblocknumcontnumdnum两块体的每一块可通过产生有限单元形成变形体。图2.8给出了上部块体划分为8个单元和下部块体划分为4个单元的单元号。在两块体间产生了一个新的接触面（序号为606）。位于块体棱上的任何节点总会产生。新的接触606对应于上部块体的棱产生的新的角点。Genquad11,6range0,100,5Genquad10Plotholdzonenumcontnum图2.7UDEC模型块体被划分成两个刚体图2.8包含两个变形块体的UDEC模型2.5命令语法UDEC中所有命令都是面向单词，并由主要命令单词和随后的一个或多个关键词或值构成。某些命令接受开关，即关键词修改命令的作用。每一命令都具有下列格式：COMMANDkeywordvalue…<keywordvalue…>在此，位于<>内的参数为选择参数。而位于（）表示可以该参数为任意给定的值。命令可依次写在命令行中。可能你已注意到，命令关键词仅前面几个字母为黑体。实际输入时仅输入这些黑体字母就可由系统识别。2.6UDEC应用基础UDEC是基于命令驱动格式。命令单词控制程序的运行。本节将提供给新用户一些基本命令。为了建立一个UDEC模型进行模拟，必须考虑计算问题的基本成分：（1）由切割产生几何问题，由此建立离散单元块体模型；（2）本构特性和材料性质；（3）边界条件和初始条件。块体模型定义问题的几何体。本构特性及所涉及的材料参数反映模型在受到干扰后的力学响应。边界条件和初始应力定义了原岩状态，即在未受到扰动（开挖、支护、爆破等）前的应力和位移状态。在UDEC中定义了这些条件后，可以进行改变（即开挖材料或改变边界条件），从而计算产生模型响应。像UDEC一类显式求解技术所获得问题的实际解与传统的隐式求解方法的结果有所不同。UDEC采用的是显式时间步求解代数方程，其解是在一系列计算迭代后才获得。在UDEC中计算迭代步数可以通过用户控制。用户必须确定所进行的求解迭代步数是否达到了实际问题的解。图2.9给出了采用UDCE进行静态分析的求解一般过程。由于这求解程序符合实际物理模型的生产工序和实际条件，因此其计算过程是方便的。采用上述过程进行简单的应力分析的UDEC基本命令将叙述如下。2.6.1块体划分UDEC模型是通过切割初始的UDEC块体成小的块体代表模型的实际边界。采用下述命令，建立模型块体。Blockx1,y1x2,y2x3,y3在此，（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）…是定义块体角点的坐标对。角点必须按顺时针方向排列。角点应当与物理模型的边界条件一致。块体有很多角点，但通常从4角点块体做起。在UDEC中所有块体都有“圆角”，其目的在于避免块体悬挂在有棱角的节点上。由于块体悬挂引起应力集中。然而，圆角值存在与模型有关的上限值。对于变形块体，最大圆角长度应当不超过块体平均棱长的1％。圆角长度可以如下命令加以改变：roundd在此，d是圆角距离（缺省值是d=0.5）。模型中的所有圆角长度都是相同的。建议在block命令前指定圆角长度。在block命令后，键入plotblock命令，就能够显示圆角的效果。建立模型建立模型（1）生成模型块体，切割块体产生计算模型的几何体；（2）定义本构模型和材料参数；（3）指定边界条件和初始条件。迭代计算使之平衡（模拟未扰动前状态）进行变化分析例如：地下开挖改变边界条件迭代计算检查模型响应检查模型响应重复其他变化进行响应分析图2.9静态分析的一般过程UDEC有几个命令用于产生计算模型的几何体。生成地质结构（即节理）的两个主要命令如下：CrackJsetCrack命令用于产生块体中单一直线特征的裂缝。裂缝由端点坐标（x1，y1）和（x2，y2）所确定。Jset命令则是自动节理组生成器。根据所给定的特征参数（即倾角、迹长、岩桥长度、间距和空间位置）产生一组裂缝。Crack和Jset两个命令用于产生UDEC块体中的地质不连续面，即节理并不一定完全将岩块切割成分离两个块体。然而，UDEC需要连续断裂（即所有断裂都必须切割块体）。由crack或Jset命令所产生的不连续面位置将被储存。为产生块体内连续断裂，可采用crack命令产生的断裂。刚性块体在计算过程中，或变形块体在单元划分时，没有连接形成完整块体的裂缝将被删除。下面的例子说明用Crack和Jset命令切割块体。这两个命令的详细描述将在命令表的第1节给出。节理生成器将在3.2.2节给予详细解释。Example2.4产生简单的UDEC模型round0.1block(0,0)(0,10)(10,10)(10,0)Crack(0,5)(10,5)在这个最简单的模型中，切割块体涉及选择位置和指定裂缝。通过键入这些命令，就可以产生10×10个单位的块体，然后劈裂成两个块体。CRACK命令产生一个连续、水平的贯通模型的裂缝。注意圆角的长度指定为0.1。通过键入如下命令，可以产生一个槽口：crack2.5,105.0,7.5crack5.0,7.57.5,10通过键入以下命令，就显示出包括块体地址号的块体图形。Plotblocknum通过采用DELETE命令，能从模型中删除一个块体。例如，为了删除槽口块体，键入如下命令：deleterangeblock368或deleterange4.5,5.58,104.5<x<5.5和8<y<10的范围必须包含被删除块体的形心。注意，当对模型进行某些操作时，采用坐标范围是比较明智的。与问题相关的地址号有时发生变化。对于JSET命令的参数需要4组数据对参数值。每一数据对中的第一个值是均值，而第二个是对应于均值的最大均方差（相对于均匀概率分布形式）。第一组数据对是节理迹线与x-坐标轴的正方向的夹角。第二对数据节理迹线长度；第三组数据是不连续节理的岩桥长度；第四组数据是节理间距。还有一些选择参数，可以用于产生一组比较复杂的节理模式。JSET命令的一般应用在3.2.2节加以讨论。采用JSET命令产生两组节理组的应用在例2.5中得到说明。例2.5两组连续节理组的产生newround0.01block(0,0)(0,20)(20,20)(20,0)jset(45,0)(5,0.5)(0.5,0)(2,0)jset(-10,0)(5,0.5)(0.2,0)(1.5,0)在上例所生成的节理图如图2.11所示。第一个JSET命令产生一组与x轴方向夹角为45o具有间距为2个单位的连续节理。第二个JSET命令产生与x方向夹角为-10o、间距为1.5个单位的连续节理。圆角长度的选择可能影响节理组的产状。节理的位置可能由于当棱长小于2倍的圆角长度不能产生块体而可能改变节理的位置。如果在JSET命令前，增大圆角的长度（比如说0.1），模型中某些节理的位置将发生改变。用JSET命令产生节理可能涉及某些试错法。第3节给出了进行产生节理过程的建议。图2.11产生的两组连续节理模型当产生大小悬殊的块体时，建议从模型中删除较小块体，以提高模型的计算效率。在例2.5中，块体尺寸的变化范围从1.751×10－3到3.679，可以由以下命令查找:Printmax键入如下命令，删除极小块体：deleterangearea3e-2所有面积小于3×10-2的块体都从模型中删除。通常，将小于最大块体的1％左右小块被删除后对计算结果的影响并不显著。最后，注意到NEW命令用在第二个例子，以便允许开始一个新的模型。当切割块体（尤其当采用JSET）时，一个重要问题是综合考虑块体数与计算速度的协调。计算速度与模型的块体数（或变形体单元数）成函数关系。根据经验，模型具有大约1200刚体（或具有8自由度的500变形体）进行2000～4000迭代步就能获得静态问题的解。对于90MHz的微机，对于500个变形块体模型允许4000步大约需要10分钟。根据你的计算机的计算速度，可以估算出一个模型所需的计算时间。通过切割UDEC块体形成工程结构形状，这须在进行工程开挖前实施。通常采用三个命令来产生形状：cracktunnelarc前面已经给予介绍CRACK命令。TUNNEL命令产生圆形形状。该圆由用户指定的裂缝段数构成。ARC命令由用户指定的角度，产生弧形断裂模型。可以结合这些命令产生各种形状的UDEC块体。例2.6给出的命令产生断层切割一个圆形隧道的模型。EXAMPLE2.6断层切割一个圆形隧道NewRound0.1Block-10,-10-10,1010,1010,-10Tunn0,0216Crack-5,105,-10Ploholdblocknum所生成的模型如图2.12所示。圆形隧道的圆形坐标（0,0）、半径为2和划分成16个裂缝段。由于隧道全部处于块体内部，所以仅用TUNNEL命令不能产生独立的块体。必须采用CRACK切割模型块体的边从而产生新的块体。如果用户运行仅用TUNNEL命令所产生的模型，则隧道裂缝在运行前被删除。通过引入CRACK命令，连接隧道裂缝延伸到模型外边界从而形成连续的裂缝，因此，形成有隧道和断层构成的块体（如图2.12所示）。应当注意，裂缝并不贯穿隧道的周边。如果TUNNEL命令先给出，随后的CRACK或JSET命令并不贯穿隧道。首先应用TUNNEL是较为方便的，因为隧道开挖仅涉及删除一个块体，即deleterangeblock1920或deleterange-1,1-1,1将模拟圆形隧道的开挖。图2.12断层切割圆形隧道例2.7给出了一条断层切割一个马蹄形隧道：NewRound0.1Block-10,-10-10,1510,1510,-10arc0,52,51808Crack-2,0-2,5Crack-2,02,0Crack2,02,5Crack-5,155,-10隧道的形状如图2.13所示。隧道顶弧的圆心在（0，5），起始点在（2，5）和180o的圆心角，逆时针画圆，划分成8段。前三个CRACK命令产生隧道的边墙和底板，后一个CRACK产生一条切割隧道的断层。开挖隧道也可以通过删除块体编号或块体形心位置来实现。另一选择就是指定包含该隧道块体的图象窗口，然后删除窗口中的块体。这可以用下面命令实现：window-2,20,7deleterangewindow图2.13断层与马蹄形隧道相交2.6.2指定材料模型2.6.2.1块体模型一旦完成块体切割，必须对所有的块体和不连续面指定材料特性。缺省为所有的块体皆为刚体。在多数分析中，块体应为变形体。仅仅在应力水平较低或岩块材料具有高强度和低变形的情况才能够应用刚性块体的假设。块体的变形特征通过以下命令定义：genedgev或genquadvGEN命令激活三角形网格有限单元自动生成器。命令GENedgev将作用于任意形状的块体。其v值定义三角形单元的最大边长，即v值越小，块体中的单元越小。应当注意的是：具有高的边长比值的块体并不能产生单元，其极限的比重近似为1:10。通过Plotzone检查模型单元。采用命令GENquadv，指定模型为塑性材料模型的单元。该类型的单元提供了对于塑性问题的精确解。然而，GENquad命令可能对某些形状的块体不起作用。在此情况下，应当采用GENedge。在UDEC中为变形块体（单元）开发了7种材料模型。对大部分用户，最常用的三种模型如下：changecons=0;nullmodelchangecons=1;elasticmodelchangecons=3;Mohr-coulombmodelCHANGE命令改变块体为指定的变形块体。Cons=0意味着模型块体材料被移出或开挖。这允许用户改变块体在以后的某些阶段返回为弹性或弹塑性材料。如果块体被删除，则以后计算阶段不可再恢复。Cons=1改变块体为各向同性弹性特性；而cons=3则改变块体为摩尔－库仑模型，考虑塑性特性。缺省值为所有变形体则自动改变为cons=1。块体改变为cons=1和cons=3必须提供PROPERTYmat命令给块体赋予材料参数值。注意性质参数不要赋给特定的块体，而是赋给材料号。材料参数可以赋值给多达50种材料号。然后，材料号再赋给具有CHANGEmat命令的块体。对于弹性模型，需要的性质为：（1）密度（2）体积模量（3）剪切模量注意：体积模量K、剪切模量G与杨氏模量E、泊松比之间的关系如下：，或，对于摩尔－库仑塑性模型，需要的性质为：（1）密度（2）体积模量（3）剪切模量（4）内摩擦角（5）粘聚力（6）剪胀角；（7）抗拉强度如果上述参数没有赋值，系统自动赋零值。对于UDEC程序，对于上述两个模型，密度、体积模量和剪切模量必须赋予正值。2.6.2.2节理模型除了给块体赋予材料模型外，还应对模型中的所有不连续面（即接触面）赋予材料模型。对于不连续面，有四种本构模型。在UDEC中开发了四种节理本构模型。但对于大部分模型分析，最适宜的模型有库仑滑动模型（完全弹塑性），可通过如下模量赋予不连续结构面：changejcons=2所有不连续结构面的缺省模型是Jcons=2。节理材料模型也是通过PROPERTYmat命令赋予材料性质参数。如同块体，参数并不是直接赋给不连续面，而是材料号。材料号是通过CHANGEmat命令赋给节理。对于库仑滑动模型，所需要的参数是：（1）法向刚度（2）切向刚度（3）内摩擦角（4）粘聚力（5）剪胀角；（6）抗拉强度如果所有的参数没有给赋值，他们的缺省值为零。在UDEC中，必须给节理的法向和切向刚度赋值，并为正值。例2.8演示了材料模型的应用。例2.8指定材料模型与性质参数NewRound0.1Block-10,-10-10,1010,1010,-10tunnel0,02,16jset-70,040,00,040,0-1,-1jset-50,040,00,03,00,2genedge2.0changejmat=2rangeangle-51,-49changejmat=5rangeangle-71,-69promat=1d=2500b=1.5e9s=0.6e9projmat=1jkn=2e9jks=2e9jcoh=1e10jten=1e10projmat=2jkn=2e9jks=1e9jfr=45projmat=5jkn=2e9jks=1e9jfr=10changecons=0range-1,1-1,1在上面的例子中，一条与x轴方向成－70o单一断层切割圆形隧道。还有倾角为－50o和间距为3m的节理组。块体是变形的和具有最大边长是2m的三角形单元。图2.14显示了隧道、节理和单元。块体是弹性的，其性质参数是通过PROPmat=1赋值。50o的节理组是通过性质参数号2赋值。70o的断层参数是由材料参数号5赋值。jmat=2，angle=-51,-49仅将性质参数赋予-51o和-49o之间。jmat=5，angle=-71,-69仅将其值赋予范围角位于-71o和-69o之间。所有其他不连续面被赋予材料号1，这意味着将具有高粘聚力和抗拉强度的粘结效应。这些不连续面是“虚拟的”节理和对应于后来将隧道开挖。虚拟节理不发生滑动或张开。可用以下命令检查材料号。Plotblockmat隧道块体被改变为cons=0是模拟开挖。Plotzone可得到下图。图2.14圆形隧道与70o断层和50o节理组构成的模型2.6.3施加边界条件和初始条件在完成所有块体切割（节理切割）和变形单元划分之后，应施加边界条件和初始条件。施加力学边界条件通常采用BOUNDARY命令。该命令用来指定力、应力和速度（位移）边界条件。边界力和应力能够施加到刚体和变形体的边界上，但速度（位移）边界仅适用于变形块体（见施加刚性块体的边界命令FIX，FREE和LOAD）。表2.4提供了边界条件命令的总结和效果。BOUNDARYxload和yload命令施加x-和y-方向的分力到边界角点。BOUNDARYstress施加应力张量到边界上。BOUNDARYxvel和yvel在选择的边界结点施加x-和y-方向的速度。注意的是：应用BOUNDARY命令所产生的条件或约束将不发生改变（除非用户再次改变）。表2.4边界条件命令总结命令效果BOUNDARYStress施加总应力到刚体或变形体块体的边界上Xload施加刚体或变形体边界的x方向的荷载Yload施加刚体或变形体边界的y方向的荷载Xvel施加变形体边界的x方向的速度（位移）Yvel施加变形体边界的y方向的速度（位移）FIX固定刚体边界的速度（位移）FREE释放刚体的速度（位移）LOADXload施加x方向的荷载到刚体的边界Yload施加y方向的荷载到刚体的边界初始应力条件能够被指定到所有的变形单元和所有刚体或变形体之间节理的法向应力和剪切应力。INSITU命令用来初始化应力。采用该命令，可以赋值初始应力。边界的初始条件应用于例题2.8，其命令应用见例2.9。例2.9施加的边界条件和初始条件boundarystress-10e6,0,0range-11,-9-10,10boundarystress-10e6,0,0range9,11-10,10boundarystress-5e6,0,0range-10,109,11boundaryyvel=0.0range-10,10-11,-9insitustress-10e6,0,-5e6szz-4.8e610MPa压应力被作用到模型的左、右边界的x方向上。5MPa的压应力（负号为压）被施加到上部边界的y方向。底部边界的y方向的运动被固定。固定边界的位移对于考虑重力的情况下是尤其重要的。注意：应力边界影响所有的自由度。因此，在施加速度边界条件前的同一边界，应当施加应力边界条件，否则，所指定的速度约束将不起作用。而且，四个BOUND命令的每一个都应给出x和y的坐标范围。应当提醒的是为了确保通过BOUND命令所产生的响应完全位于指定的范围。键入如下命令：Printbound和PlotboundxcondPlotboundycond来检查边界条件。命令INSITU在x方向始化所有的应力为-10MPa和在y方向初始化应力为-5MPa。在平面之外的z方向也给予初值=-4.8MPa。对于弹性块体分析，z方向的应力未初始化并不影响平面应变问题的解。然而，对于塑性分析，z方向的应力可能影响到破坏状态，因此，应当慎重选择的应力初始化。2.6.4迭代为初始平衡UDEC模型在进行开挖模拟前必须进行初始状态的平衡计算。施加合适的边界条件和初始条件，使模型与初始的平衡状态相吻合。然而，对于复杂的几何形状和多介质材料的情况，在给定的边界条件和初始条件下，进行计算获得平衡是十分必要的。其计算可采用STEP（或CYCLE或SOLVE）命令。借助于STEP命令，为达到模型的平衡，用户指定循环步进行计算。当每一刚体形心的结点力或变形体的结点力接近零，模型就处于平衡状态。当激活STEP命令后，最大的结点力矢量（称之为不平衡力）由UDEC进行监测，并在屏幕上显示。在此用户能够估计模型何时达到平衡状态。对于任何模型的数值分析，不平衡力不可能完全达到零。但当最大的结点不平衡力与初始所施加的总的力比较相对较小时，就可认为模型达到平衡状态。例如，如果最大不平衡力从最初的1MN降低到100N，此时（最大不平衡力与初始的不平衡力之比为0.01％），则认为模型达到平衡。采用UDEC进行数值分析判断模型平衡是一个重要的问题。用户必须确定模型在何时达到平衡状态（即问题的解）。在UDEC中设置有一些特征，用于支持这种决策。如记录最大不平衡力历史是其中之一：histunbal除此之外，还有速度历史（即某一结点的速度或位移），命令如下：histxvel5,5histydisp0,11第一个是记录位移坐标（x=5,y=5）附近结点x方向的速度，而第二个是记录接近坐标（x=0,y=11）位置处y方向的位移。在进行数百次或数千次迭代后，这些历史记录将绘图和显示其平衡条件。图2.15所示的模型为节理岩体中开挖一矩形区域。在此岩体中存在一组节理和一条断层。模型受10MPa的静水应力场和重力作用。重力是用以下命令：setgrav0.0,-9.81第一个是x方向的加速度，第二个值为y方向的加速度为9.81m/sec2（向下作用）。当考虑重力所引起的应力变化不大可以忽略重力的作用。在例2.10中，尽管考虑重力，有助于识别围绕洞室周围的松散块体受重力的作用，但是考虑重力引起的应力变化小于0.5MPa，相对于10MPa的原岩应力可以忽略不予考虑。ro0.1bl-10,-10-10,1010,1010,-10cr-2,-2-2,2cr-2,22,2cr2,22,-2cr2,-2-2,-2jset70,040,00,040,0-2,0jset-50,040,00,03,01,2genedge2.0chanjmat=2rangeangle-51,-49chanjmat=5rangeangle69,71propmat=1d=2500b=1.5e9s=.6e9propjmat=1jkn=2e9jks=2e9jcoh=1e10jten=1e10propjmat=2jkn=2e9jks=1e9jfr=45propjmat=5jkn=2e9jks=1e9jfr=5boundstress0,0,-10e6range-10,109,11boundxvel=0.0range-11,-9-10,10boundxvel=0.0range9,11-10,10boundyvel=0.0range-10,10-11,-9insitustress-10e6,0,-10e6szz-10.0e6setgrav0.0-9.81histunbalhistydis0,2;solvefor10step700savefall1.sav如果位于开挖体顶板的块体被分离，则由于重力作用将落到洞室。这将在后面的2.6.5节中详细说明。应当注意，当重力应力与原岩应力具有相同的量级，则用INSITU命令施加应力梯度（应力随高度的变化）以加速初始平衡状态的收敛。图2.15节理岩体中的矩形开挖体初始不平衡力近似为2.0MPa。在进行700步后，降至约为10N。通过绘制两个历史可以发现，最大的不平衡力已接近零，位移接近2.7×10-3m图2.16最大不平衡力历史图2.17在（0，2）位置的y位移历史模型的不平衡力在接触力和块体角点与结点的力略有差异，这与圆形角点有关。圆形在块体角点产生很小的“洞”。为不平衡力的平衡增加某些迭代步是必要的。设置不平衡力的值：solveforce=f在此，f为用户定义的不平衡力值。检查不连续面的破坏条件是十分重要的。对于这个问题，初始x发现和y方向的应力分量是相同的，因此，模型中的节理不能滑动，这可以用以下命令加以验证：Plotbouslip所显示的图形是由模型外边界和满足库仑滑动准则的节理组成。对于选择的模型条件，有可能出现在原岩应力状态下节理发生滑动。例如，改变水平应力分量到-5MPa并回到例2.10。则断层将沿着整个长度上发生滑移。如何识别初始应力在平衡计算过程中节理发生的滑移，用户应当重新评估所选择的原岩应力参数和不连续面强度。沿着节理长度滑移的模型表明该模型并非可靠。在模拟开挖前确保模型处于平衡状态是十分重要的。通过记录几种历史以考察最大的不平衡力的衰减。如果所进行的计算步超过模型达到平衡所需的计算步，并不会影响计算结果。然而，如果不充分的计算步将影响模型的计算结果。UDEC计算可在任何时间通过按<Esc>被中断。更方便的是使用STEP命令进行高次数的计算和周期的中断和再次分析，以确保达到平衡状态。2.6.5进行改变和分析UDEC允许在求解过程中的任意部位改变模型条件。这些变化可能具有以下形式：（1）开挖材料；（2）增加或删除边界荷载或应力；（3）固定或释放边界结点的速度（位移）；（4）改变材料模型或块体和变形体的性质参数。可以用DELETE命令或CHANGEcons=0命令模拟材料开挖。用BOUNDARYxload，yload或stress命令施加荷载和应力。通过采用BOUNDARYxvel或yvel命令固定边界角点。通过BOUNDARYxfree和yfree命令移去边界约束。用CHANGE命令改变变形块体和不连续面的材料模型。而用PROPERTY命令可改变材料性质参数。很显然，几种命令可以重复应用，进行各种模型的改变。例如，从初始平衡状态，应用这些命令继续例2.10获得例2.11。例2.11开挖隧道和监测其响应restfall1.savdelete-2,2-2,2resetdispresethisthistunbalhistydis0,2step2000plotblostressdispsavefall2.sav由于采用DELETE命令，模拟开挖矩形洞室，导致模型应力的变化。结点位移与历史记录被重新设定，仅由开挖所引起位移变化被监测。建议在块体被删除后重新设定历史位置。在矩形洞室开挖后产生很高的不平衡力，因此需要进行计算使之获得重新平衡。然而，在此情况下，没有观测到不平衡力接近很小的值，而处于其值为0.017MN的常值。进而y位移历史记录也显示在计算2000步后，在位置（0，2）的位移仍向下运动。开挖顶板上的块体已经从围岩脱离和掉落到洞室内。这由图2.18清楚地看出。不平衡力不可能接近于零，因为顶板块体应自由下落。如果预计模型变化将导致破坏（即力的平衡条件不能获得）就不要用SOLVE命令求解。图2.18洞室顶板块体发生冒落2.6.6保存或恢复计算状态当进行分步计算时，另外两个命令SAVE和RESTORE是有用的。在一个阶段的结尾（即初始平衡），采用如下命令，可以保存模型状态。Savefile.sav式中，file.sav是一个用户定义的文件名。扩展名.sav定义这个文件是一个保存文件。这个文件可以采用如下命令进行恢复：restfile.sav2.6.7简单分析的总结在表2.5中给出了本节所介绍的主要命令。更常见的情况求解问题需要从进行一个简单的问题计算开始。表2.5简单问题分析的基本命令功能命令产生块体模型ROUNDBLOCK切割块体CRACKJSETTUNNELARC块体和节理的材料模型和参数GENCHANGEPROPERTY边界条件和初始条件BOUNDARYINSITU初始平衡（具有重力）DAMPlocalSETgravitySTEPSOLVE模型变化DELETECHANGEPROPERTYBOUNDARYCABLE监测模型响应HISTORYPLOT保存或恢复当前状态SAVERESTORE2.8系统单位表2.6系统单位－力学参数SILengthmmMcmDensitykg/m3103kg/m3106kg/m3106g/m3ForceNkNMNMdynesStressPakPaMPaBarGravitym/sec2m/sec2m/sec2cm/sec23用UDEC求解问题本章为应用UDEC求解岩石力学工程问题提供指导。在3.1节给出地质力学分析阶段的建议。在3.2节通过例3.10明确了模型准则和求解过程必须考虑的问题，涉及的问题如下：（1）产生模型（3.2节）；（2）刚体或变形块体的选择（3.3节）；（3）边界和初始条件（3.4和3.8节）（4）加载和模拟顺序（3.6节）；（5）块体和节理模型和材料参数的选择（3.7和3.8节）；（6）改进模型效率的方法（3.9节）；（7）计算结果的解释（3.10节）。最后，地质力学领域的模拟原理参见3.11节。在该领域进行模型分析的新手可能希望首先咨询该节。地质力学模拟方法与其他工程领域，如结构工程存在很大的不同。进行地质力学分析始终记住这一点是十分重要的。3.1一般性研究模拟地质工程的过程涉及一些特殊的考虑，其设计方法也与其他人工材料结构不同。在岩土体上建造结构或在其中开挖分析与设计，必然面对相对少的现场数据以及材料的变形和强度性质参数存在较大变化的情况。获得岩土工程现场完整的现场资料是不可能的。例如，原岩应力、材料性质和不连续面特性等信息仅是部分的。由于为设计预测所输入的必要信息是有限的，所以，地质力学数值模型主要用于理解影响系统特征的力学机理。一旦掌握了系统的特性，然后，为工程设计过程探索一些简单的计算。面对地质工程研究总是缺少满意的数据以及缺乏对材料性质的充分理解，而在其他领域，在具有充足的数据的情况下，应用UDEC可直接用于工程设计。当获得合理的数据应用此程序时总能获得合理的结果。应当认识到，如图3.1所示的应用的过度阶段。典型情况复杂的地质条件；简单的地质条件不可获取的数据；投入资金无试验经费进行现场研究数据无资料充分研究机理通过参数研究预测研究现场特性分类（直接用以设计）图3.1模型研究图谱UDEC程序可用于模型特性的预测（如图3.1的右边），或仅作为“数值试验”来测试一些设想（图3.1的左边）。正是现场资料（和资金）而不是程序决定了应用情况。如果具有高质量的和足够的数据，UDEC就能够给出好的预测。由于大部分的UDEC分析是处于较少数据的情况下进行的，所以，本节将探讨类似于试验研究的数值模型研究技术。数值模型决不应当被认为是一个一端接受信息而另一端输出结果的“黑箱”。为了获得可以合理的解释，必须十分注意准备数值“样本”和多样本“试验”。表3.1列出了进行成功的数值模拟试验的建议步骤。下面分别讨论：表3.1地质力学问题的数值分析步骤第1步定义模型分析的对象第2步产生模型系统的概念图形第3步建造和允许简单的理想模型第4步搜集模型所需的计算数据第5步准备一系列用于分析的详细模型第6步进行模型计算第7步提供结果和解释3.1.1第1步：定义分析模型的对象一个分析模型所了解内容与深入程度常常取决于分析的目的。例如，如果是为解释系统的特性所提出的两种相互冲突机理的决策，此时可建造一个较粗糙的模型，用于两种机理的研究。如果试图涉及存在于实际模型中的复杂条件，然而，如果可能对模型的响应产生微不足道的影响或与模型计算的目的毫不相关的计算特征可以被忽略。3.1.2第2步：产生物理系统的概念图形重要的是构思出实际问题的图形，便于初步估计在所施加的条件下，预测系统的基本特性。当准备这个图形时，应当回答几个问题。例如，该系统是否稳定？主要力学响应是线性还是非线性？是否存在可能影响特性的不连续面？是否存在地下水的影响？实际的系统物理结构是否还存在其他几何问题？这些考虑将表征了诸如模型的几何形状、块体材料模型、边界条件以及初始平衡条件等数值模型的总体特征。这将决定是否采用三维模型或二维模型？3.1.3第3步：建造和运行简单的理想模型当为数值分析理想化一个物理系统时，较有效的方法是在构筑详细的模型之前，首先建造和运行一个简单的测试模型。为产生数据和对问题的理解，应在尽可能早的阶段产生这样的一个简单模型。其结果可用于进一步系统的概念图形。在简单模型运行后可能需要重复第2步。简单的模型能揭示一些问题，以便在进行深入分析之前加以修正。例如，所选择的材料模型是否能够代表所期望的特性？边界条件是否影响模型的响应？基于简单模型的计算结果能够有助于指导对分析起重要影响作用的数据研究方案。3.1.4第4步：综合特定问题的数据对于一个模型分析所需的数据类型包括：详细的几何参数（即地下洞室形状、地表形态、坝形状，岩石或土体结构）；地质结构的位置（即断层、层理，节理组等）；材料特性（即弹性或塑性性质，峰后特性）；初始条件（即原岩应力状态，孔隙压力，饱和度）；外部加载（即爆破荷载、洞壁压力）。由于分析所涉及的条件（尤其应力状态、变形和强度性质）存在很大程度的不确定性，为研究必须选择参数的合理变化范围。基于简单模型的计算结果（第3步）常常能够有助于确定变化范围。3.1.5第5步：准备一系列详细的运行模型通常数值分析用于研究不同的破坏机理、研究一定范围变化的计算参数的系列分析。当为计算准备一系列计算模型时，应考虑如下一些方面的问题：每一个计算需要花费多少时间？如果模型运行的时间过长，为达到有用的结论所需要获得足够的信息可能是困难的。为缩短计算时间，可以考虑在多个计算机上，运行参数变化的计算。应考虑保存所需要的模型在计算过程中的中间状态，以便每一参数的变化不必重复计算。例如，如果分析几个加载或卸载阶段，用户应当能够返回运行已经进行的任一阶段，以便改变一个参数后从那一阶段继续计算。在模型中是否设置足够的监测位置（历史记录），为进行清楚地解释模型计算结果和不同计算参数的比较分析提供足够的信息？在模型中设置几个参数变化的监测点，对计算过程监测是有帮助的。尤其模型中的最大不平衡力应当被监测，以便检查在分析的每一阶段的平衡或破坏。3.1.6第6步：进行模型计算在进行一系列模型分析之前，最好首先选择一个或两个模型进行详细地分析。这些运行应当随时被中断，确保达到预期的效果。一旦能够确信模型的计算是正确的，几个模型数据文件被联系在一起，进行一系列模型的连续分析。在连续运行的任何时间，应有可能中断计算，查看结果，然后继续或修改模型。3.1.7第7步：提供结果和解释求解的最后一步是为进行清楚地解释分析提供计算结果。最好是通过直接在屏幕上显示或输出的图形结果。图形结果应当提供便于进行计算与现场观测结果的比较方式。图形应当能够清楚地分析所感兴趣的区域，例如应力集中位置、模型中稳定与不稳定区域。模型中任何变量的数值也能够容易获得,为详细解释模型的响应。为有效地进行地质工程问题分析，我们建议了上节介绍应遵循的七个步骤。下面章节将论述在UDEC的应用中为模型研究中涉及到的这些步骤中的每一方面所涉及的特定问题。3.2产生模型UDEC程序在产生几何模型的方式与传统的数值分析程序有所不同。首先产生计算范围的单一块体。然后，这个块体被切割成小的块体。模型中块体的边界是地质结构面或工程结构（如开挖体边界）。这种切割处理被称之为节理生产的几何体。然而，“节理”代表物理模型中的实际地质结构和人造结构边界或将被移去或在以后连续的计算步中改变材料。对于后者，节理是虚拟的，其存在不应影响模型的计算结果。虚拟节理的表征将在3.2.3节中讨论。3.2.1确定UDEC模型合适的计算范围UDEC几何模型必须具有足够大的范围，在感兴趣的区域内，包含主要的地质结构特征，由此代表真实的实际的物理问题。考虑的方面如下：处于何处的地质结构（即断层、节理和层面）应详细描述？模型边界的位置对模型的影响程度如何？如果应用变形块体，在关心的区域，何种密度的单元可满足问题的精度？上述三个方面决定了实际分析UDEC模型的规模。如果仅有很少的地质结构（即两个或三个切割断层或遍布空间的节理组），这些可能通过CRACK或JSET命令单独输入。记住UDEC是一个二维程序。除了特殊情况，忽略三维效应。如果地质结构不能用垂直于分析平面的二维特征加以表征，则可能需要采用三维分析（例如ITASCA程序3DEC）。单个独立特征的断裂可用一种或两种方式进行输入。一种是用CRACK命令，他给出断裂的两个端点；另一种是用JSET命令，给出断裂的倾角和断裂通过的位置。例如，或者Crack(0,0)(10,10)或Jset(45,0)(20,0)(0,0)(100,0)(5,5)都可用来定义一个倾角为45o，且通过坐标点（x=5,y=5）的节理。为了在UDEC计算中得到认可，节理必须是连续的（即完全劈裂块体成两个部分）。然而，节理可以由分段连续、具有不同角点的分段构成。CRACK和JSET产生不连续节理段（SPLIT命令与CRACK具有相同的形式，但他不能产生不连续节理）。例如，燕尾状节理可以用例3.1中的命令生成。例3.1燕尾状节理Round0.1Block0,00,1010,1010,0cr0,52.5,6cr2.5,65,5cr5,57.5,6cr7.5,610,5在上述例子中，几个CRACK命令的顺序没有限制。如果被后来产生的裂缝交切，内部裂缝被保存在一个临时性的文件中和后来被应用。在节理生成过程中，任何内部或部分贯穿裂缝，在模型运行过程中被删除。当块体被赋予可变形的（GEN），内部或部分裂缝也自动被删除。也可采用JDELETE命令实施人工删除。对于块体作指定的圆角长度可能局部影响节理的产生。最小块体棱长定义为圆角长度的两倍。因此，节理段可能背离这个准则。例如，例3.2显示了指定一个裂缝的端点位置处于角点圆角长度的两倍，该裂缝通过角点的位置坐标发生错位。UDEC并对任何这样错位不会给出任何警告，所以用户应当通过采用PLOTblock命令随时进行检查。例3.2圆角长度对产生裂缝的影响NewRound0.2;Rou0.1Block0,00,1010,1010,0cr0.3,09.7,10如果圆角长度小到0.1，则裂缝将处在指定的位置。SETedge命令运行用户人为定义的最小块体棱长。基于这个命令，用户为精确求解而避免块体具有小的棱长，或反之具有很大的边长比，能够设定一个较小的圆角长度。例如，如果设置命令SETedge0.4和ROUND0.1，则不会产生小于0.4的块体棱长和块体的圆角长度将为0.1。这些命令必须在BLOCK命令之前给出。模型中用于描述地质特征的节理数（即块体数）存在一个限制。这涉及模型的范围和块体的单元数（如果采用变形单元）。实际的限制依赖于如同表2.2所示的可利用计算机内存。在进行节理生成时必须考虑这个限制。根据经验，最后的方式总是从较少节理开始，然后，如果有必要再逐渐增加节理来达到预期的效果。应当避免试图建立一个复杂节理模型的诱惑，关于此问题将在3.11节中进一步讨论。节理自动生成器可以在UDEC中得到，可根据实际测量的参数（即节理倾角、间距、长度和岩桥长度等）产生节理组。JSET命令也起到节理生成器的作用。如在第3.2.2节的例子所描述的那样。在UDEC模型还可获得一种特殊的生成Voroni形状多边形的节理生成器。在3.2.2节给出该程序的应用实例。高级用户还可编写自己的节理生成器。这可通过将节理生成器所定义节理段端点坐标（x，y）对组成的表列来实现。FISH函数可以完成这个自动处理过程。这个列表能够被UDEC直接读取。另外，图形数字化仪也可以用来产生节理端点的坐标对。请记住，在UDEC内的节理是作为直线段显示。许多线段可能需要用不规则的节理形态来拟合。模拟者必须决定用UDEC模拟实际节理模式的水平。几何的不规则对节理的影响也可以通过节理材料模型性质（即变化节理面的性质参数）加以考虑。如上所述，模型边界必须具有足够的远，以致模型对边界不产生影响。第3.4节论述了边界的影响结果。一般地，对于单一地下开挖工程，边界离开挖边界的距离应当大于开挖跨度的5倍左右。然而，合适的距离取决于分析的目的。如果分析目的主要用于考虑破坏，然而，模型边界可以靠近一些。如果关注的是位移（变形），则距离边界的距离需要增加。借助于经验估计边界对模型的影响是重要的。从一个粗糙的模型和矩形边界开始，分别研究固定边界和自由边界条件研究改变边界的距离的影响。考察感兴趣的模型区域内的应力或位移，随边界距离变化所发生的变化，来评价边界对结果的影响。参见第3.4节所给出的边界影响研究实例。一旦完成块体切割和确定模型的边界位置，下一步就是考虑应采用块体单元的大小与网格密度。较密的网格单元应当处在高应力区或高梯度变形区（即在开挖区附近）。为了高精度，单元形状尺寸之比（即三角边与高之比）也应尽可能接近于1。对于5:1的情况可能是不精确的。同时建议相邻块体单元的大小不应有较大的突变。合理的精度是相邻两单元面积之比不应当超过4:1。3.2.2产生节理UDEC提供了两个节理生成器：一个统计节理生成器，由传统的岩石力学参数所定义的参数产生节理；另一个是Voronoi分块式节理生成器，用于产生随机尺寸的多边形块体。统计节理生成器是采用JSET命令和岩体不连续面的几何参数统计特征值。Voronoi生成器是采用VORONOI命令和划分块体为随机大小和形状的子块。该生成器将在下节加以描述。3.2.2.1统计节理组生成器JSET节理生成器是根据所选定的统计参数生成节理模式。基于这样的节理模式，特殊的几何参数对力学特性产生的影响可以进行定量描述。同时，在获得现场观测的节理模式情况下，采用人工模式与观测模式相匹配方法决定生成的参数。一个节理组可以通过8个生成参数表述：4个几何参数的均值和4个随机参数的均方差。由JSET命令给出的参数如下：JSET在此，－节理与x轴的夹角；－节理段迹线长度；－两节理段间的长度（即岩桥长度）；－垂直于节理迹线的间距。对于上述的每一对值，前一个带有下标的是均值；第二个带有下标的是均方差。图3.2给出了参数的说明。图3.2节理组参数最后的三个参数是选择参数：－节理起始坐标（整体坐标轴）。节理将从点（）开始产生节理，将充满由选择参数range所定义的整个范围。－所有节理与所给定的节理迹线方向的偏差。通过定义的一个限制区域（range），生成的节理能够限制在所选择的模型区域。见理论与背景第1.1.3节中的range关键词的描述。在大部分情况下，通过jregionn关键词定义各种区域，在此n是指定JREGION命令的参考序号id。JREGION定义了一个凸多边形区域来限制节理组的生成范围。该命令参数如下：JREGIONidnx1y1x2y2x3y3x4y4<delete>每一个节理区域是通过id序号识别。区域的坐标按顺时针方向定义了节理产生的边界。如果给出选择的关键词delete，在此之前由JSET、VORONOI或CRACK命令生成的节理将全部被删除。这可避免当指定