计算岩土力学论文

计算岩土力学现有软件及其应用情况

1.简介

岩体是一种具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性的天然地质体[1],由于岩体介质的复杂性, 分析边界和工况的多变, 用经典力学求解复杂的岩体工程问题的解析解已经很难, 甚至不可能。随着计算机科学的进步，数值计算方法也不断发展，并且在岩土工程领域得到了广泛的应用。例如，20世纪60年和70年代开始出现用于岩土工程稳定性计算的数值计算方法，主要是有限元法；20世纪80年代有限元、边界元及其混合模型得到广泛应用[2]；20世纪90年代以来，离散元法、DDA法等方法层出不穷。随着数值计算方法的百花齐放，计算岩土力学也从无到有发展起来，并且根据不同的计算方法形成了众多的计算软件，本文主要介绍较为常见且使用较广的几款计算软件。

数值计算方法大致分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法两大类[3]。连续变形分析方法主要有：有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界单元法（BEM）等，其中以有限单元法应用最为广泛；非连续变形分析方法主要有：离散元法（DEM）、非连续变形分析（DDA）、流形元法（MM）、无单元法（EFM）等。[4]

2.有限单元法

有限元分析中最基本的思想就是单元离散，即将求解区域剖分为若干单元，把一个连续的介质换成为一个离散的结构物，然后就各单元进行分析，最后集成求解整体位移。

通用的有限元软件主要有ABAQUS、ANSYS、COMSOL Multiphysics、ADINA、ALGOR、LS-DYNA、Nastran等，岩土工程专用有限元软件主要有PLAXIS、Midas GTS 、CRISP、Geoslope、GeoStudio、Rocsciences、Z-Soil和SoilVision等，本文仅简单介绍一些常见的有限元软件。

2.1ABAQUS

ABAQUS是一款由达索SIMULIA公司进行开发、维护及售后的有限元分析

软件，在岩土工程数值分析方面，ABAQUS具有以下优点[5]：

1)拥有能够真实反映岩土体实反映土体性状的本构模型，如土体的屈服特性、剪胀特性等。ABAQUS拥有摩尔库仑棋型、Druker-Prager 模型、Cam-Clay 模型(修正剑桥模型)等，可以真实反映岩土体的大部分应力应变特点。

2)ABAQUS 中包含孔压单元，可以进行饱和土和非饱和土的流体渗透/应力耦合分析（如固结、渗透等），可以进行有效应力计算。

3)岩土工程数值分析中必须考虑初始应力的作用，ABAQUS专门提供了相应的分析步，可以灵活、准确地建立初始应力状态。

朱向荣[6]等简单介绍了ABAQUS中的部分土体本构模型和工程算例，徐远杰[7]等成功在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型，李春忠[8]等运用ABAQUS对边坡的稳定性进行分析，费康[9]等应用ABAQUS对土石坝的静、动力进行分析，朱训国[10]等利用ABAQUS模拟NATM隧道施工。凡此种种，表明ABAQUS在岩土工程数值分析的众多方面应用十分广泛。

2.2 ANSYS

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，也是目前国际最为流行的有限元分析软件之一。ANSYS在土木工程行业的应用已扩展到各种结构构件承载力、静、动力特性等的分析，各种建筑结构——高层建筑、厂房结构、空间结构、构筑物等结构的静、动力分析，隧道等地下结构、大坝等水利工程、桥梁等结构的静、动力分析，场地土的地震反应分析，工程结构的可靠度分析，工程结构的优化设计分析等。

李向辉[11]等利用ANSYS对北京地铁天安门西站至复兴门站区间隧道进行地震反应分析，魏际兵[12]用ANSYS模拟岩质高边坡的开挖与加固，俞晓[13]使用ANSYS模拟深基坑的开挖与支护，韩春秀[14]等对使用ANSYS分析岩土工程中遇到的若干问题进行了探讨。相比较ABAQUS，ANSYS在岩土工程中的应用相对较少，但ANSYS的多场耦合分析功能可以处理高速变形和高度非线性问题，可以较好地模拟岩土的力学性能，包括对断层、夹层、节理、裂隙和褶皱等地质情况的模拟，在某些情况下起到很好的分析效果。

2.3 COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是由COMSOL公司研制的一款的多物理场仿真软件，

这款软件的优势在于多物理场耦合方面，是故在岩土工程方面也经常被用于多物理耦合分析。如李利平[15]利用COMSOL计算开挖条件下突水形成过程的动态演变特征，纪佑军[16]等借助COMSOL模拟隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律，潘俊群[17]用COMSOL对隧道开挖期间的土力学响应进行模拟。

2.4 ADINA

ADINA是目前世界上非线性功能最有效、可靠的分析软件之一，对于解决岩土工程中的各种非线性问题具有明显的优势，特别适用于岩土工程中各种隧道的开挖问题、各种地下空间结构的动力抗震分析和岩土/渗流/温度场耦合问题分析。例如张向东[18]等采用ADINA软件，对鲍家湾隧道的开挖进行数值模拟；顾俊借助ADINA[19]建立地铁隧道三维有限元模型，进行地震非线性动力特性分析；白净钞[20]等利用ADINA对富水破碎围岩隧道的多种开挖工法进行数值模拟。2.5 PLAXIS

PLAXIS 2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中，如：大型基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、大型桩筏基础（桥桩基础）与邻近基坑的相互影响、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析及完全流固耦合分析、建筑物自由振动及地震荷载作用下的动力分析、边坡开挖及加固后稳定性分析等。比如，唐晓松[21]等应用PLAXIS进行渗流作用下的边坡稳定分析，张如林[22]等基于PLAXIS模拟深基坑的支护设计，赵国芳[23]等探讨PLAXIS在砂性土路基填筑变形研究中的应用。

3.有限差分法

有限差分法的基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。目前岩土行业使用较为广泛的有限差分软件主要是FLAC2D/3D，在解决大变形问题方面具有有限单元法不可比拟的优势。

FLAC2D/3D是由美国ITASCA公司开发的，FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，研究和应用范围主要集中在以下几个方面：

1)岩土体的渐进破坏和崩塌现象的研究；