《基于动态离散元的滑坡全过程数值模拟研究》

本文以湖南省自然科学基金项目《基于动态离散元的滑坡全过程数值模拟研究》(编号：

05JJ30075)为依托，结合该项目的研究目标，在离散元数值计算方法及程序研制和滑坡动态模拟方面开展了研究。

针对滑坡这一高发地质灾害难预测的问题，本文结合离散单元法，从力学的角度来分析和认识滑坡的作用机理。

利用计算机可视化技术，把计算结果由传统的数字统计转换为图形。

将滑坡的破坏过程动态的重现，从而揭示了滑坡演化过程中的动力学规律。

在利用离散单元法进行计算时，考虑到其本身存在的一些问题，如参数选取没有标准等，本文基于离散单元的动态松弛法，从最关键的参数——时步入手，提出了由每循环步允许块体最大位移增量控制每步块体求解的方法——位移控制法。

该方法通过对块体的位移试算来决定时步的大小，不仅避免了时步选取不恰当造成计算中的如叠合过大等问题，还可以提高计算的精度和效率。同时，本文还通过算例分析，得到离散单元的计算中块体的刚度系数选取的合理范围。

研制了基于离散元计算方法的滑坡块体稳定性分析程序，并针对该程序

开发了配套的前处理程序和用以结果显示的后处理。

前处理包括模型绘制、参数输入和约束施加：

通过后处理程序可以观察块体接触信息、应力大小、位移场和动态显示滑坡的破坏过程。

本文给出了程序研制的思路，对于关键步骤还附上了算法和流程图。程序的编制中涉及到了大量的有关Visual C++函数和变量的使用，对于其中主要的部分，本文从程序和数据结构的角度做了介绍。

对武钢大冶铁矿东采区狮子山北邦A区V-132～V84m段约220m高的边坡做了详细的计算，通过工程实例可以知道位移控制离散单元法与实际监测情况吻合，说明了本文提出的位移控制离散单元法对滑坡这类非线性和大变形工程地质问题有较广阔的应用前景.. 文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1前言

1.2滑坡研究现状分析

1.3边坡稳定分析的数值方法

1.3.1极限平衡法

1.3.2有限单元法

1.3.3边界元法

1.3.4快速拉格朗日分析(FLAC)法

1.3.5非连续岩体力学方法

1.4离散单元法综述

1.5本文的创新及特点

1.6本文主要研究内容

第二章离散单元法的基本原理

2.1基本假定

2.2力-位移方程

2.3运动方程

2.4迭代及计算技术

2.4.1迭代技术

2.4.2单元几何计算

2.4.3计算过程

2.5简单算例

第三章离散单元法的位移控制计算原理

3.1参数选择、影响及改进

3.1.1刚度系数

3.1.2时步的选择和改进

3.2块体接触判断方法研究

第四章节理岩体离散元计算模型的建立方法4.1结构面的地质特征

4.1.1结构面的成因类型

4.1.2结构面发育的韵律特征

4.1.3结构面分级

4.2节理岩体计算模型建立

4.2.1地表轮廓线绘制

4.2.2 Ⅰ～Ⅲ类结构面的绘制

4.2.3节理的绘制

4.2.4约束的添加

第五章离散元动态模拟中的图形显示技术5.1科学计算可视化概念、意义及发展5.1.1科学计算可视化概念提出及意义

5.1.2科学计算可视化的发展

5.2离散单元法可视化现状

5.2.1离散单元可视化的发展现状

5.2.2离散单元可视化的主要问题

5.3离散单元法可视化的实现

5.3.1坐标与比例转换

5.3.2块体模型的可视化

5.3.3接触和应力的可视化

5.3.4单元动态的可视化

第六章离散元程序研制

6.1程序开发环境和语言简介

6.2程序结构及数据结构

6.2.1程序结构

6.2.2数据结构

6.3程序界面设计

6.4程序总流程图

第七章基于位移控制离散单元法的滑坡动态数值模拟

7.1滑坡动态数值模拟的意义和存在的问题、研究现状

7.2工程概况

7.3模型建立

7.4计算结果

7.4.1由文本文档建模

7.4.2由前处理程序加密模型

第八章结论及展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

附录

离散单元法在岩体力学中的应用

分享到：更新日期：2012-05-06 | 点击：2次 | 一键收藏本论文摘要：岩体是一种地质材料，岩体的力学性质具有各向异性，高度非均质，不连续性等特点。为了解决工程中遇到的岩体力学问题，数值模拟是岩体力学中常用的手段。由于岩体中存在大量节理面，基于非连续介质理论的离散单元法更加适合于岩体力学。本文主要介绍了离散元法块体元的基本原理，以及其在岩石力学中应用范围和应用过程中的典型问题。最后，提出一些个人见解。

关键词：离散元，非连续介质，岩体力学，数值模拟

一．引言

当前，我国正处在一个基础建设的繁盛时期，在水利水电，核电，矿山，隧道，

地下工程等各领域都会遇到地质环境复杂的岩石力学问题。为了解决工程中遇到的问题，对于岩体的力学性质有一个较为准确的把握，数值模拟是一个广泛应用的方法。

岩土力学中常用的数值计算方法可以分为两大类。一类基于连续介质的理论。如

有限元方法，有限差分法，边界元法等。特别是有限元和有限差分法，应用极为广泛。连续介质方法对于处理断层、节理、裂隙这样的不连续结构面具有一定的局限性，只能处理为数不多的不连续结构面，例如，在有限元中，岩体中的节理被看作是特殊的节理单元[2]；在有限差分中，岩体中的节理被看作滑移面；在有限元与边界元的耦合中，

岩体中的节理被看作是边界面单元。在这些方法中，对于节理的处理都是小数量、小位移的，因此，对多结构面的不连续介质不适合用连续介质方法模拟，而应采用非连续介质方法进行模拟。于是离散单元法应运而生。

离散单元法是Cundall 于1971年提出的[3]。该法将结构面切割的岩体视为复杂的块体的集合体，允许各个块体平移或者转动，甚至相互分离。离散元法以受裂缝切割或分立的块体为出发点，块和块之间的相互作用在角和面上有接触，角点可以有较大的位移。在某些情况下如滑坡或冒顶时，岩块可以滑动甚至脱离母体而自由下落。

二．离散单元法原理介绍

离散元法的单元从几何形状上分类可分为块体元和颗粒元两大类,本文主要介绍

块体元在岩石力学中的应用。

1.基本原理；

它的基本原理是牛顿第二定律，其基本思想是将岩体看成是由断层、节理、裂隙

等结构面切割而成的一个个刚性或者可变形块体，块体与块体之间通过角、面或者边进行接触，块体可以平移、转动或者变形，节理面可以被压缩、分离、滑动，所有块体镶嵌排列，在某一时刻当给定块体一个外力或者边界位移约束，各个块体在外界的干扰下就会产生力和力矩的作用，由牛顿第二定律可以得到各个块体的加速度，然后对时间进行积分，就可以依次求出块体的速度、位移，最后得到块体的变形量，块体在位移矢量的方向会发生调整，这样又会产生力和力矩的作用，如此循环，直到所有块体达到一种平衡状态或者处于某种运动状态之下。因此，离散单元法比较适合于模拟节理系统在准静态或者动态下的变形过程。

2.基本方程[4]：

从力学分析角度上离散元对三大定律的满足上与有限元方法不同。从平衡方程上看，离散元采用牛顿第二定律来控制，按围绕各刚性块体形心的力平衡和力矩平衡来满