岩土力学：第十章+岩体力学数值计算方法及新进展简介

第十章 岩体力学数值计算方法 及新进展简介一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发 展紧密相关 今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿 产资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安 全等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高 的要求。大型，特大型的岩体工程修建，都使 岩体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的 解决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的 进一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤

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其是工程地质方面的学科的理论与方法进一步 完善。特别是勘探手段与技术方法的发展紧密 相关。因此要发展岩体力学着门学科，应密切 注视工程地质学科方面的发展，它们是相辅相 成密不可分的。

二、固体力学成就在岩体力学中的应用(一)断裂力学在岩体力学中的应用 目前，岩石断裂力学的应用前景主要如下： 1.岩石的断裂预测与控制断裂; 2.岩石裂纹的形成与扩展.

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(二)损伤力学在岩体力学中的应用将损伤力学的基本方法和过程应用于岩石力 学即岩石损伤力学。岩石损伤力学认为：岩 体内存在有连续分布性的初始缺陷和密集的 微观裂纹，但在宏观上仍可视为连续介质看 待。对于遍布节理，裂隙岩体或呈多组节理 分布的裂隙岩体更切合实际。

三、岩石力学试验与测试方法的进展(一)在室内模拟试验方面，离心模拟试验由 于具有其他模拟试验方法所不具备的优点而 受到注视。 (二)声波层析技术在岩体力学方面的应用受 到注视。学习资料 仅供参考

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声波层析技术在岩体测试中的应用

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四、数值分析在岩体力学中的应用和 发展(一)数值分析方法的分类在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中， 主要使用的方法为有限元法，边界单元，离 散单元法，拉格朗日单元法及块体理论等

(二)有限元法原理及其应用要点原理：通过变分原理(或加权余量法)和分区 插值的离散化处理把基本支配方程转化为线 性代数方程，把待解域内的连续函数转化为 求解有限个离散点(节点)处的场函数值。学习资料 仅供参考

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应用要点：1.正确划分计算范围与边界条件 2.正确输入岩体参数及初始地应力场 3.采用特殊单元来考虑岩体的非连续性和边 界效应

(三)岩石力学问题的其他数值分析方法 1.边界单元法 1.边界单元法有限元法是对问题的微分近似表达式给出了 精确解，它实质上属于微分法。

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与微分

法相对应的是积分法，积分法所涉及的 边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化 仅在边界上近似。下图表示了在外部问题模拟 时微分法与积分法之间的区别。

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2.离散单元法 2.离散单元法离散单元法完全强调岩体的非连续性。它 认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用 下各块体保持平衡。岩体被表面或内部开挖以 后，一部分岩体就存在不平衡力，离散单元法 对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自 重进行不平衡计算，并采用牛顿运动定律确定 该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复逐 个岩块进行类似计算，最终确定岩体在已知荷 载作用下是否将破坏或计算出最终稳定体系的 累计位移。

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离散单元 法算例： 研究地下 煤层开挖 引起冒落 和岩层移 动，研究 冒落带深 度与节理 间距的关 系。

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3.块体理论 3.块体理论 块体理论就是针对个性各异的岩体中具有结 构面这一共性，根据集合论柘朴学原理，运用 矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出 可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开 挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体， 对几何可移动块体在按力学条件分为稳定块体、 潜在关键块体、关键块体。 此外，在计算方法上，还有半解析法、加权 残余法以及松弛法中的经松弛法以及上述方法 的耦合应用。

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例子

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五、位移反分析法在岩体力学中的应用 1.位移反分析法：在岩体工程施工开挖过程中， 通过测量位移、应变或应力，来确定岩体的初 始地应力或岩体力学参数。 2.应用 反问题法不仅是参数估计，它的进一步推广 应用是工程预测和险情预报、反馈动态设计、 调整施工方案以及可靠度评价等 六、新的数学计算方法和软科学在岩石力学中的 应用

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1.分形几何及其在岩石力学中的应用 1.分形几何及其在岩石力学中的应用 分形几何是近十年来发展起来的研究非线性 现象和图形不规律性的理论和方法，它在处理 岩石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗 粒特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到 了一系列准确的解释和定量结果。下面图表是 分形几何在岩体结构的分维中的应用。

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2.统计岩石力学 3.系统分析、控制论等软科学在岩石力学 与工程中的应用 4.人工智能与专家系统在岩

石力学中的应 用

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