COMSOL_Multiphysics在岩土工程中的应用

COMSOL Multiphysics在岩土工程中的应用摘要：目前,COMSOL Multiphysics作为全球第一款真正的多物理场耦合分析软件，由于其具有多场问题全耦合分析的强大功能，能够帮助科研人员得到更精确地模拟结果,被广泛适用于岩土工程研究的各个领域。

本文就COMSOL Multiphysics在岩土工程中采矿工程中的岩土工程问题、氯盐对混凝土耐久性影响的问题、基桩动测问题方面的应用作出相应简单的介绍。

阐述COMSOL Multiphysics软件在该领域的强大功能和适用性，说明COMSOL Multiphysics 在岩土工程中的应用。

1.多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Multiphysics)的介绍
多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Multiphysics)是一个专业有限元数值分析软件包,是专为描述和模拟各种物理现象而开发的基于偏微分方程的多物理场模型仿真计算的有限元分析软件包。

COMSOL Multiphysics软件系统包括结构力学、化学、电磁学、地球科学、微机电、声学等模块。

在使用COMSOL Multiphysics软件的过程中,用户可以自己建立普通的偏微分方程形式,也可以使用COMSOLMultiphysics提供的特定的物理应用模型。

这些特定的物理应用模型包括预先设定好的模块和在一些特殊应用领域内已经通过微分方程和变量建立起来的用户界面。

通过COMSOL Multiphysics的多物理场功能,用户可以选择不同的模块,同时模拟任意物理场组合进行耦合分析。

为了便于比较, 在COMSOL Multiphysics结构力学模块中,用户可以完全利用COMSOL Multiphysics中无限制多物理场和基于偏微分方程的表达式进行分析,因此可以随意地将结构力学分析与其它物理现象如电磁场、流场和热传导等耦合起来进行分析。

SOL Multiphysics在采矿工程中的岩土工程问题中的应用
伴随采矿工程中的岩土工程问题常常是复杂的多物理场耦合问题，其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题、煤层甲烷运移问题。

在矿山工程中复杂的物理过程可能是变形、水渗流、煤层甲烷运移以及温度场等多物理场的耦合问题。

而COMSOL Multiphysics在计算多场耦合方面是全球最优秀最有实力的分析工具。

SOL Multiphysics在研究氯盐对混凝土耐久性影响的问题的应用
我国海域辽阔,海岸线很长,大规模的基本建设集中于沿海地区,沿海地区混凝土结构耐久性损伤的最主要原因是混凝土中的钢筋锈蚀,而氯离子的侵蚀是引起钢筋锈蚀的直接原因。

广大北方地区冬季都要向公路路桥、城市街道等撒盐,以保证交通畅达与公共安全，目前我国使用的“融雪剂”中,氯盐仍然是主要成分,不论是自然环境还是人为环境,我国面临的氯盐对混凝土耐久性影响的问题是十分严峻的。

COMSOLMultiphysics是对基于偏微分方程的多物理场模型进行建模和模拟计算的交互式开发环境系统扩散模块是COMSOL中的子模块,可以进行稳态和瞬态两种情况的数值分析。

(啥意思？？)
(1)在除冰盐及近海和海洋环境中,Cl-侵入到混凝土内部是一个极为复杂的过程,当考虑到混凝土氯离子扩散系数以及表面氯离子浓度两者随时间变化这一因素时,从Fick第二扩散定律中便很难直接得到关于Cl-扩散过程的解析解。

通过有限元软件对氯离子扩散过程进行数值模拟分析是一种可行的方法,其中COMSOL有限元中的“扩散”子模块便是数值分析方法之一。

(2)从混凝土试件氯盐侵蚀试验结果的COMSOL数值模拟中可以看出,有限元数值模拟的结果与试验结果十分接近,模拟的精度很高,误差较小,验证了用COMSOL进行Cl-扩散行为分析的可能性,是一种行之有效的扩散分析手段。

(3)借助有限元的数值分析手段,可以同时考虑氯离子扩散系数随时间减小的情况以及混凝土表面氯离子浓度随时间增加的过程,更符合实际情况。

通过对比分析,可以看出是否考虑扩散系数的时间依赖指数m对Cl-扩散浓度分布结果影响很大,考虑时间效应因素的混凝土Cl-扩散速度逐渐减慢,说明对m值的大小选取十分重要。

SOL Multiphysics在研究基桩动测问题中的应用
在大量的工程实践中，由于基底溶洞的存在、软土地层的易挤性以及施工过程中的机器操作不当等可导致部分工程桩出现明显的倾斜现象，致使桩的竖向承载能力及水平抗剪能力大大降低，给建筑物留下严重的安全隐患。

因此有效而又快捷的桩身倾斜测试方法，成为现在工程中迫需解决的一大难题。

基于应力波传播理论，将斜桩应力波分解为纵波和弯曲波的叠加，并使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对其进行仿真分析，研究了三维斜桩桩顶各
质点振动速度可分解为纵波和弯曲波的适用范围。

通过改变弯曲波桩底边界条件和桩顶激励脉冲，探讨了弯曲波在桩身中的传播规律。

在此基础上改变斜桩桩身和桩周土条件，系统地分析了斜桩桩顶不同接收点以及不同接收方向的信号特征与桩身倾斜度的关系，为基桩倾斜检测提出了两种新思路，并由此提出了符合工程实际的桩身倾斜度测试方案。

此外，探讨了部分倾斜桩的倾斜方向和转折点位置以及偏心敲击对斜桩桩身信号的影响，并以工程实例验证了数值仿真规律的可靠性。

基桩动测问题的理论基础一维应力波理论只有在锤径桩径比、波长桩径比、桩长桩径比足够大时才能近似成立，否则该问题实际上为应力波在柱体中传播的三维问题。

基于应力波理论，考虑计算精度和效能，借助新型有限元分析系统COMSOL Multiphysics对基桩动测过程进行一维和三维动态仿真，对比分析两种模型计算结果异同，沿桩顶径向三维效应主要表现为不同部位速度响应不同且信号发生振荡，入射波存在延时，反射波到时也存在差别。

结合野外实验较系统地研究这些三维效应随锤桩比、波长桩径比、长径比的变化规律，给出三维效应的动测规避方式。

结束语：在岩土工程领域，应用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件，已有许多用户做出了深入的研究案例。

比如煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程数值模型及其在矿山工程中的应用、COMSOL在岩石损伤过程的应用、基于COMSOL Multiphysic的煤层甲烷拟稳态吸附-运移数值模拟、煤层处置CO2的二元气-固耦合数值模拟、矿井岩体破坏突水机制及非线性渗流模型初探等等，众多的应用案例证明COMSOL Multiphysics软件在该领域的强大功能。