RS2岩体稳定性的节理网络有限元解决方案

  节理岩体是我国岩体工程和环境工程中经常遇到的一种复杂岩体，呈现出强烈的非均质、各向异性，其强度和变形受节理的控制。这类岩体经过长时间的地质构造运动，岩体破碎严重、节理发育且自稳能力较差且易受施工扰动，尽管经过几十年的研究和工程实践，工程人员对于岩体工程施工已经积累了一系列的工程方法及经验，但是由于围岩体本身力学机理复杂，业内对于岩石的破坏机理、影响其自稳的因素及节理裂隙发育对于围岩变形沉降的影响还没有形成一个统一的结论，这些是摆在岩体设计施工人员面前的难题。有必要对节理围岩体施工对岩体工程稳定性的影响进行研究。

  目前对节理岩体的数值模拟方法主要分为：①基于连续介质的节理岩体模拟方法，包括有限单元法，边界单元法和有限差分法；②基于非连续介质的节理岩体模拟方法，即离散单元法。

①连续介质法

  最早的基于连续介质的节理岩体模拟方法是有限元法，其基本原理就是将节理视作一种独立的单元，然而如何定义该单元类型是研究的重点和难点。

  有限差分法的基本原理是使用有限差分近似公式取代各处的导数，由代数方程问题代替偏微分方程问题。目前，通过该方法在节理岩体模拟方面的应用较少。

  边界单元法结合了有限单元法和边界积分法的计算原理，只是将求解域的边界离散化，域内由解析式表示，这样可以降低求解问题的维数，如三维问题转变成二维问题求解，二维问题转化成一维问题。因此，使用边界单元法时单元数目减少，计算时间缩短。

②非连续介质法

  非连续介质法主要包括非连续变形分析法和离散元法，其中离散元法在岩石力学中应用较广。离散元法的基本思想是：视完整岩石由具有一定形状和质量的颗粒组合而成，通过对接触颗粒间，颗粒与接触边界间的接触建立接触模型并赋予模型参数，以表征颗粒之间、颗粒与边界之间的接触作用，散粒和边界的不同物理力学性质。离散元法的基本思想已经被应用于多种数值软件中实现岩石的力学性质分析。

  上述两种方法各有不足，连续介质法不能模拟岩体的实际结构，忽略了节理与节理之间、节理与岩体之间的接触作用；离散元法能够反映岩体的真实结构，但是需要详尽的节理几何、物理参数，并且对于高度破碎岩石，建模困难，计算耗时且收敛性差。

  随着近年来计算机运算水平的提高，节理网络有限元（jointed finite element method, JFEM）技术逐渐实用化，在白鹤滩水电站等工程实践中验证了其模拟的有效性。JEFM综合了有限元和离散元的优点：建模速度快，运算速度快且与离散元方法具有几乎一致的节理参  数、收敛准则等，实际计算结果与现场结果较为吻合，是研究节理岩体结构较为理想的数值方法。

  节理网络有限元法（JEFM）是指具有节理网络功能的有限元方法。该方法视节理岩体为完整岩块和节理组成的二元结构，针对二者不同的力学特性定义不同的本构关系和模型参数，使岩体和节理分别按照不同的强度准则发生屈服。与其他数值方法中岩体中的节理由切割的方式产生相比，JFEM的特色为：岩体结构面通过直接嵌入一个完整的节理网络（joint network），并将其离散为Goodman节理单元的形式生成。对于节理模型，通过节理统计特征确定模型参数，从而较好地描述岩体的实际结构及破坏特征。

  中仿有限元分析软件RS2应用上述方法能够很好地模拟真实围岩体中裂隙的存在及其对完整岩石强度的影响，虽然在该软件中节理网络是由单节理组合而来，但不同形式的节理的组合使得该软件具备强大的节理网络生成功能。中仿的正版用户长江勘测规划设计研究院，应用RS2软件计算某大型水利工程，涉及复杂的节理岩体，经对比，软件计算结果与现场监测结果保持高度一致。

  中仿RS2软件内置共有六类不同的节理网络模型，包括三种普通模型：平行确定模型、平行统计模型、交错模型，还包括通过离散裂缝网络生成的DFN模型：Baecher圆盘模型、Veneziano多边形模型和Voronoi模型。工程师可根据隧道围岩现场实际情况确定节理倾角、迹长、间距和边界情况平行统计节理模型，根据现场参数选用合适的强度准则，完整围岩选用等效M-C参数进行计算，节理单元的剪切行为既可以通过Mohr-Coulomb滑动准则描述，也可以利用Barton-Bandis准则描述。

  中仿RS2专门适用于岩石和岩土的结构和变形计算，广泛应用于工程实践中，包括地下开挖设计、边坡稳定性、地下水渗流、概率分析、岩体加固和动态分析等。在中仿RS2中可以建立复杂的多阶段模型，用来解决软岩或节理裂隙岩体中的隧道工程，地下溶洞，露天矿井，斜坡和堤坝工程的渐进破坏、支护作用以及其他问题。程序中内置了一系列支护模型：衬砌单元可用于喷射混凝土、混凝土、钢筋系统、挡土墙、桩、复合衬砌和土工织物等的建模；可模拟的锚固类型包括端头锚固、粘结锚固、锚索、缝管锚杆和锚杆灌浆等；中仿RS2的另一特征是使用剪切强度降低法的有限元边坡稳定性分析，既可以输入莫尔-库伦强度参数，也可以输入霍克-布朗强度参数。该边坡模型可以与Slide中建立的模型相互导入和导出，以便极限平衡状态和计算结果对比分析；中仿RS2中内置稳态有限元地下渗流分析，因此不需要单独建立地下水模型，基于用户定义的液压边界条件和材料电导率可以确定孔隙水压力及梯度；对于岩体工程，中仿RS2还可以通过各种统计模型自动生成离散的节理网络。总之，中仿RS2可以在很短的时间内计算更大、更复杂的物理模型。

  以下以一个节理岩体内隧道模型为例，讲解RS2软件如何在计算机中还原节理结构，并分析该模型的稳定性问题。

分三个节理岩质区域，依次添加节理网格单元，分为三种模型：

完成节理网络定义后，网格划分：

定义场应力：

第一主应力Sigma 1 云图：

总位移：

变形图：

在隧道附近的最大剪切应变等值线图：

边界变形图，注意一些与隧道相交的节理末端的不同形变。

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