岩土和地下工程数值模拟

岩土和地下工程数值模拟与FEPG

一、          岩土和地下工程的复杂性与FEPG优势

岩土介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关岩土问题时往往需要做一些针对具体问题的创新性研究或改进。

FEPG的高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算。它可以根据用户需求，用极短的时间来解决问题（例如增加一种新的单元类型，或是增加新的材料本构模型等等），可以方便地人为控制或修改有限元计算过程中的任何一个细节或参数。而使计算不再是一个黑匣子，保证计算分析正确合理，达到预测并且指导设计施工的目的。

二、          应用FEPG模拟大型地下洞室群开挖过程

在贵州省索风营水电站地下厂房围岩稳定性弹塑性三维有限元分析中，计算中考虑了：

・ 原始地应力场

・ 渗流场

・ 复杂的地质构造（地层、断层、软弱结构面）

・ 岩层层状模型

・ 纵横交错的地下洞群（主厂房、主变室、母线洞、引水洞、尾水洞、交通洞）

・ 施工过程和施工方法

・ 分层分部位开挖建造

・ 喷混凝土衬砌和锚杆、锚索、预应力锚索支护

・ 岩锚吊车梁施工及吊车荷载施加

・ 蜗壳混凝土回填施工

・ 多种施工方案的比较与方案的优化

网格剖分以及计算量、计算复杂程度都是现有软件无法实现的，用FEPG系统则能很快捷方便地实现上述仿真计算。

¨ 应用组合网格法生成计算程序，避免了复杂的地下结构体与地质构造体的交叉造型带来的困难，使得计算以及造型工作变得很灵活容易

¨ 用死活单元模拟开挖与建造的过程

¨ 任意使用合理的材料模型（各向同性、横观各向同性、各向异性、线弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、弹粘塑性等）

¨ 任意的屈服准则（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、广义双剪等常用函数，可在不同的应力状态下选用不同的屈服准则或几种准则的联合使用，可以随时方便地添加其它的屈服函数）

¨ 先进的算法程序使得计算具有较高的效率和较好的精度

¨ 为方便围岩稳定性分析评价，可计算输出任意的评价指标

¨ 功能强大的前后处理FEPG.GID为快速便捷造型和丰富直观的结果显示提供了有力的保障

用FEPG系统自动生成并编制了三维的弹塑性计算程序，囊括了上述所有的功能，进行了计算分析。

计算范围、地层河床及厂房区位置图         地下厂房结构及局部地形地质展示图

 洞室群结构三维有限元网格图           软弱结构面f_j2、f_j5、f_j4部分网格图

在处理渗流自由面方面，我们利用FEPG自动生成并编制了三维的渗流场计算程序，对施工期渗流场进行了初步分析，首次提出计算渗流场自由面的死（活）结点法，该方法实践证明计算简单、效率较高。并用来计算了正常蓄水位下的坝区稳定渗流场，考虑了地下水向岩溶管道渗漏的情况，得到较为良好的结果。

空间等水头面   单位：m              岩溶管道横剖面等水头线   单位：m

对于岩石的层理发育，我们利用FEPG自动生成了可模拟洞室群开挖、建造与支护施工过程的大型三维横观各向同性弹塑性有限元计算程序，应用于索风营地下厂房洞室群开挖支护过程的稳定性弹塑性分析。

 开挖结束衬砌变形示意图               开挖结束厂房变形示意图

开挖结束厂房位移云纹图  单位：m    

三、          FEPG在岩土和地下工程行业中的应用展望

随着时代的发展，人们从地下开拓生存和发展空间的需求迅速增长，面临的问题也越来越复杂，需要考虑的因素也越来越多。开辟的地下空间规模、环境、安全等方面的综合因素决定了，对地下工程的模拟逐渐要过度到多场耦合、大规模的层次上。在当前地下工程飞速发展的形式下，有效利用数值计算，结合数值模拟和实验为地下空间开发的方案选取、施工技术设计、综合性能评价具有广阔的发展空间。并行计算有限元程序自动生成系统(PFEPG)为地下工程开发中的大规模、多场耦合模拟提供了软件支持。

东北大学岩石破裂与失稳研究中心与飞箭软件合作，利用PFEPG，生成基于了并行计算环境的岩石破裂过程计算分析程序。

        70万单元x方向位移云图                           70万单元最小主应力云图