UDEC中文指導說明

PAGE－PAGE98－通用離散元用戶指導（UDEC3.1）2004.9目錄1引言 11.1總論 11.2與其他方法的比較 21.3一般特性 21.4應用領域 32開始啟動 42.1安裝和啟動程序 42.1.7內(nèi)存賦值 42.1.9運行UDEC 52.1.10安裝測試程序 52.2簡單演示－通用命令的應用 52.3概念與術語 62.4UDEC模型：初始塊體的劃分 82.5命令語法 92.6UDEC應用基礎 102.6.1塊體劃分 102.6.2指定材料模型 162.6.2.1塊體模型 162.6.2.2節(jié)理模型 172.6.3施加邊界條件和初始條件 192.6.4迭代為初始平衡 212.6.5進行改變和分析 242.6.6保存或恢復計算狀態(tài) 252.6.7簡單分析的總結 252.8系統(tǒng)單位 263用UDEC求解問題 273.1一般性研究 273.1.1第1步：定義分析模型的對象 283.1.2第2步：產(chǎn)生物理系統(tǒng)的概念圖形 283.1.3第3步：建造和運行簡單的理想模型 283.1.4第4步：綜合特定問題的數(shù)據(jù) 293.1.5第5步：準備一系列詳細的運行模型 293.1.6第6步：進行模型計算 293.1.7第7步：提供結果和解釋 303.2產(chǎn)生模型 303.2.1確定UDEC模型合適的計算范圍 303.2.2產(chǎn)生節(jié)理 323.2.2.1統(tǒng)計節(jié)理組生成器 323.2.2.2VORONOI多邊形生成器 343.2.2.3例子 343.2.3產(chǎn)生內(nèi)部邊界形狀 353.3變形塊體和剛體的選擇 383.4邊界條件 423.4.1應力邊界 423.4.1.1施加應力梯度 433.4.1.2改變邊界應力 443.4.1.3打印和繪圖 443.4.1.4提示和建議 453.4.2位移邊界 463.4.3真實邊界－選擇合理類型 463.4.4人工邊界 463.4.4.1對稱軸 463.4.4.2截取邊界 463.4.4.3邊界元邊界 493.5初始條件 503.5.1在均勻介質(zhì)中的均勻應力：無重力 503.5.2無節(jié)理介質(zhì)中具有梯度變化的應力：均勻材料 513.5.3無節(jié)理介質(zhì)中具有梯度變化的應力：非均勻材料 513.5.4具有非均勻單元的密實模型 523.5.5隨模型變化的初始應力 533.5.6節(jié)理化介質(zhì)的應力 543.5.7繪制應力等值線圖 553.6加載與施工模擬 573.7選擇本構模型 623.7.1變形塊體材料模型 633.7.2節(jié)理材料模型 643.7.3合理模型的選擇 653.8材料性質(zhì) 713.8.1巖塊性質(zhì) 713.8.1.1質(zhì)量密度 713.8.1.2基本變形性質(zhì) 713.8.1.3基本強度性質(zhì) 723.8.1.4峰后效應 733.8.1.5現(xiàn)場性質(zhì)參數(shù)的外延 773.8.2節(jié)理性質(zhì) 803.9提示和建議 813.9.1節(jié)理幾何形狀的選擇 813.9.2設計模型 813.9.3檢查模型運行時間 823.9.4對允許時間的影響 823.9.5單元密度的考慮 833.9.6檢查模型響應 833.9.7檢查塊體接觸 833.9.8應用體積模量和剪切模量 833.9.9選擇阻尼 843.9.10給塊體和節(jié)理模型指定模型和賦值 843.9.11避免圓角誤差 853.9.12接觸嵌入 853.9.13非聯(lián)結塊體 863.9.14初始化變量 863.9.15確定坍塌荷載 863.9.16確定安全系數(shù) 863.10解釋 883.10.1不平衡力 883.10.2塊體/網(wǎng)格結點的速度 883.10.3塊體破壞的塑性指標 893.11模擬方法 893.11.1有限數(shù)據(jù)系統(tǒng)模擬 893.11.2混沌系統(tǒng)的模擬 903.11.3局部化、物理的不穩(wěn)定性和應力路徑 911引言1.1總論通用離散元程序（UDEC，UniversalDistinctElementCode）是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序。UDEC用于模擬非連續(xù)介質(zhì)（如巖體中的節(jié)理裂隙等）承受靜載或動載作用下的響應。非連續(xù)介質(zhì)是通過離散的塊體集合體加以表示。不連續(xù)面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉動。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的“應力－應變”準則，表現(xiàn)為線性或非線性特性。不連續(xù)面發(fā)生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力－位移”的關系控制。在UDEC中，為完整塊體和不連續(xù)面開發(fā)了幾種材料特性模型，用來模擬不連續(xù)地質(zhì)界面可能顯現(xiàn)的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。UDEC包含了功能強大的程序語言FISH函數(shù)。借助于FISH函數(shù)，用戶可以編寫自己的功能函數(shù)，擴展UDEC的應用功能。FISH函數(shù)為簡化分析，適應特殊要求的UDEC的用戶，提供了一個強有力的工具。UDEC采用的離散單元法理論由Cundall（1971）首次提出，至今已經(jīng)過了20多年的發(fā)展。在1985年，Cundall博士和Itasca公司在IBM系列兼容微機上開發(fā)了UDEC工程計算應用程序。該軟件為建立數(shù)以千塊模型的高速計算而設計?；诟↑c運算速度的優(yōu)勢和低成本的內(nèi)置RAM，用UDEC程序可大大地提高了計算大規(guī)模問題的能力。例如，在具有4MBRAM的微機上，UDEC能夠求解2500個剛體（或1000個具有8個自由度變形體）的模型。該模型的求解速度大約為每分鐘200次。在RAM確定的情況下，其計算速度是與模型的塊體數(shù)量成線性關系。對于典型的模型，約1500個剛體（或500個變形體）或更少，在UDEC中采用的顯式解法，大約需要2000～4000計算步可以獲得問題的解。例如，一個500個變形塊體的模型，計算4000步大約需要6min。因此，典型的工程問題用UDEC計算僅需幾十分鐘或幾個小時。UDEC是一個命令驅(qū)動（而不是菜單驅(qū)動）的計算程序。盡管菜單驅(qū)動程序易于初次學習，但在UDEC中所提供的命令驅(qū)動結構具有如下優(yōu)點：1、輸入的“語言”是基于可識別的文字命令，使你易于識別每一個命令的作用（例如BOUNDARY命令，是指施加模型的邊界條件）。2、工程模擬通常是按照系列施工順序構成――即，構造原巖應力，施加作用的荷載、開挖隧道、安裝支護等。一系列（從文件或鍵盤上）輸入命令完全對應于實際的施工順序。3、根據(jù)文本編輯器，很容易對UDEC數(shù)據(jù)文件進行編輯和修改。幾個數(shù)據(jù)文件能相互連接，進行多個問題求解，這對于進行參數(shù)的靈敏度分析是十分有用的。4、命令驅(qū)動結構允許用戶開發(fā)前后處理程序，控制UDEC必要的輸入/輸出。用戶可以為一系列UDEC的模擬，編寫節(jié)理模擬函數(shù)，產(chǎn)生特定的節(jié)理結構?？刹捎肍ISH程序語言，并插入到輸入的文件中，使計算很容易實現(xiàn)。1.2與其他方法的比較對于UDEC程序，一個共同的問題是，UDEC是一個有限元程序還是離散元程序？他們的主要區(qū)別是什么？UDEC程序與其他程序有何關系？為回答上述問題，下面將給予解釋。許多有限元、邊界單元和拉格朗日有限差分程序都具有“界面單元”或“節(jié)理單元”，使程序能夠模擬問題中的不連續(xù)面，擴大程序的應用范圍。然而，他們的公式在一個或多個方面通常受到限制：首先，當考慮很多相互切割的節(jié)理就可能打亂系統(tǒng)的邏輯關系；其次，不可能自動識別新的接觸面進行自動考慮；第三，計算公式可能有小位移和無轉動條件限制，所以通常適用連續(xù)介質(zhì)的程序。術語“離散單元法”（Discreteelementmethod）意味著：（a）允許離散塊體發(fā)生有限的位移和轉動，包括完全脫離；（b）在計算過程中，自動識別新的接觸面。在不連續(xù)介質(zhì)中，如果沒有第一個屬性，程序不可能產(chǎn)生某些重要的機理。如果沒有第二個特性，程序?qū)⑾拗圃谑孪纫阎南嗷プ饔玫挠邢迚K體數(shù)。離散元法（Distinctelementmethod）是由Cundall和Strack（1979）采用變形接觸和顯式、時間域的初始運動方程（而不是變換，塊體方程）提出的特殊的離散單元法程序。離散單元法的計算機程序主要有以下四類：1、DistinctElementPrograms－該類程序采用顯式時間步直接進行運動方程的求解。塊體可以是剛體或變形體（通過細分成單元）；接觸面是可變形的。UDEC就屬此類。2、ModalMethods－該類方法類似于剛體離散單元法，但對于變形體采用模型疊加技術。3、DiscontinuousDeformationAnalysis－接觸是剛體，塊體可以是剛體或變形體。通過迭代算法可以獲得非嵌入條件；塊體變形性基于應變模型的疊加。4、Momentum-ExchangeMethods－接觸面和塊體都是剛體：塊體接觸面在瞬時碰撞的過程中慣性矩發(fā)生交換，可以表征滑動和摩擦特性。1.3一般特性UDEC主要用于巖石邊坡的漸進破壞研究及評價巖體的節(jié)理、裂隙、斷層、層面對地下工程和巖石基礎的影響。UDEC對研究不連續(xù)特征的潛在破壞模型是十分理想的工具。當?shù)刭|(zhì)結構特征明顯且易于明確描述的情況適宜使用該程序進行分析。UDEC開發(fā)了人工或自動節(jié)理生成器，用以模擬產(chǎn)生巖體中一組或多組不連續(xù)面。在模型中，可以產(chǎn)生變化范圍較大的節(jié)理模式。屏幕繪圖工具允許用戶隨時觀看節(jié)理模型。在最后確定所選擇的節(jié)理模型前，能容易進行調(diào)整與修改。也可以獲得不同的節(jié)理材料特性?；灸Ｐ褪侵付ü?jié)理彈性剛度、摩擦角、粘結力、張拉強度和剪脹特性的庫侖滑動準則。對該模型的改進包括隨著位移的發(fā)展而粘結力和張拉強度的降低弱化。在此還可獲得一個比較復雜的模擬連續(xù)屈服的節(jié)理模型，用以模擬弱化為累積塑性剪切位移函數(shù)的連續(xù)變化特性。作為一個選擇模型，還可獲得Barton－Bandis節(jié)理模型。節(jié)理模型和性質(zhì)參數(shù)也可分別賦給單一節(jié)理或節(jié)理組。應當注意，即使地質(zhì)圖上所顯示的節(jié)理為直線段，節(jié)理的幾何粗糙度也可以通過節(jié)理材料模型加以表征。UDEC的塊體可以是剛體或變形體。對于變形塊體，開發(fā)了包括用于開挖模擬的空模型（null）、應變硬化/軟化的剪切屈服破壞模型以及非線性不可逆的剪切破壞和壓縮模型。因此，塊體能被用來模擬回填、土體介質(zhì)以及完整巖石。UDEC的基本公式假設為二維平面應變模型。此條件涉及斷面保持為定值，并在平行于該斷面的平面上作用荷載的無限長結構。所以，非連續(xù)面也被假設為平面特性。另外，UDEC提供了一個平面應力問題的選擇。對于平面應變分析，如果在垂直于平面方向的應力，為最大或最小主應力，在垂直于平面方向，塊體可能出現(xiàn)塑性屈服，UDEC的顯式求解算法允許進行動態(tài)或靜態(tài)分析。對于動態(tài)計算，用戶指定的速度或應力波可作為外部的邊界條件或者內(nèi)部激勵直接輸入到模型中。一個簡單的動態(tài)波型庫也可以獲取。UDEC為動力分析設計了自由邊界條件。在靜態(tài)分析中，包括了應力（力）和固定位移（速度為零）兩種邊界條件。邊界條件在不同的位置可以是不同的。同時，在UDEC中還可以獲得邊界元邊界，用于模擬無限彈性邊界。也可以獲得半平面解用來描述自由面效應。UDEC還能夠模擬通過模型中的孔隙和不連續(xù)面的流體流動。在此認為塊體是不可滲透的。巖體的滲透率取決于節(jié)理的力學變形。也能夠進行力學－流體全耦合分析。反過來，節(jié)理水壓也將影響力學特性。流體被處理為平行板的粘性流。程序中的結構單元可用于模擬巖體加固和工程表面支護。加固包括端部錨固、全長錨索和錨桿。表面支護模擬諸如噴射混凝土、混凝土襯砌和其他形式的隧道支護。UDEC包含一個強有力的程序語言，F(xiàn)ISH，能夠使用戶定義新的變量和函數(shù)。FISH是一個編輯器。通過UDEC數(shù)據(jù)文件進入程序被翻譯并儲存在內(nèi)存中。1.4應用領域UDEC最初是為節(jié)理巖石邊坡的穩(wěn)定性分析開發(fā)的。對于塊體不連續(xù)公式和運動方程（包括慣性項）采用顯式時間步求解方法？？？，便于塊狀巖體邊坡的漸進破壞分析和大變形運動研究。UDEC常用于采礦工程，已經(jīng)進行了深部地下采礦洞室的靜態(tài)與動態(tài)分析。洞室圍巖破壞誘發(fā)的斷裂、滑移是用UDEC分析研究的實例之一。通過在模型的邊界施加動應力或速度波研究爆破影響。地震誘發(fā)的斷層滑移也通過采用連續(xù)屈服節(jié)理模型進行了研究。結構單元已經(jīng)用于模擬全長巖錨和噴射混凝土的各種巖體加固系統(tǒng)。UDEC還應用于地下結構和深部高輻射廢料的儲存研究領域。通過應用熱模型，UDEC已經(jīng)應用于模擬與核廢料相關的熱荷載效應。UDEC在作為一個計算設計工具，仍受到一定的限制。然而，程序較適用于研究節(jié)理效應的潛在破壞機理。節(jié)理巖體特性是一個“有限數(shù)據(jù)系統(tǒng)”－即，在很大程度上內(nèi)部結構和應力狀態(tài)是未知和不可知的。因此，建立一個完備的節(jié)理模型是不可能的。而且，UDEC是一個二維程序，除了特殊情況外，不可能表征具有三維結構的節(jié)理模型。不過，應用UDEC程序，可以從現(xiàn)象學的角度研究節(jié)理巖體地下工程開挖響應。該方法可加深巖石力學設計中各種不同現(xiàn)象的相互影響的理解。采用這種方法，工程師能夠通過識別地下工程可能產(chǎn)生不可接受的變形或加載導致的破壞機理，從而揭示工程所潛在的諸多問題。值得注意的是，UDEC程序?qū)τ谀M顆粒流動或動態(tài)分析火山噴發(fā)是不適宜的。對于該類研究，可以采用PFC2D程序。2開始啟動2.1安裝和啟動程序本節(jié)為首次使用UDEC的用戶提供指導。如果你熟悉該程序僅僅是偶爾使用，你會發(fā)現(xiàn)本節(jié)尤其是2.6節(jié)對于改變你原有印象是有幫助的。UDEC程序共有65個主命令，有接近400個關鍵詞。2.1.7內(nèi)存賦值UDEC自動調(diào)節(jié)內(nèi)存大小達到8MB。可以通過下列命令查詢、改變內(nèi)存值：UedcmUedc14Printmem如果更多的內(nèi)存可以獲得，其內(nèi)存能夠通過應用環(huán)繞磁盤文件獲得額外內(nèi)存。表2.2給出了最大塊體數(shù)與所需內(nèi)存的關系。表2.年2RAM與最大塊體單元RAM（MB）最大剛性塊體數(shù)最大變形塊體數(shù)*240030042500100087500300016150007000*假設每塊體8個自由度。塊體最大數(shù)隨自由度的增加而減少。2.1.9運行UDECcallfile.dat2.1.10安裝測試程序有三個簡單的數(shù)據(jù)文件，test1.dat、test2.dat、test3.dat用于程序測試。2.2簡單演示－通用命令的應用Block(0,0)(0,20)(20,20)(20,0);產(chǎn)生一個塊體plotblock;顯示該塊體劃分初始塊體成小塊體。Crack(0,2)(20,8)Crack(5,3)(5,20)Crack(5,12)(20,18)固定最下和最左塊體，使之不可移動的命令如下：fixrang0,200,5fixrang0,50,20該命令固定形心處在0<x<20，0<y<5和0<x<5，0<y<20范圍內(nèi)的所有塊體的當前速度（即為零）。然后塊體和節(jié)理所需的材料性質(zhì)通過性質(zhì)號予以賦值，即propmat=1dens=2000propjmat=1jkn=1.33e7jks=1.33e7jfric=20.0對于該問題，所有的塊體密度被指定為2000kg/m3。所有的節(jié)理切向剛度和法向剛度分別被指定為1.33e7，節(jié)理面的摩擦角為20o。下面將會發(fā)現(xiàn)，不同節(jié)理和塊體可以賦予不同性質(zhì)參數(shù)。其次，在x和y方向的重力加速度可以通過如下命令予以賦值：setgravity0，-10.0為了吸收振動能量，引入阻尼命令damplocal上述命令是UDEC的缺省阻尼條件，因此，DAMPlocal實際上并不需要。我們在此僅僅是強調(diào)這是靜態(tài)分析。對于該點，問題很容易被執(zhí)行。正如在后面能看到的，通過觀測特定點的巖體運動有助于進行工程特性判斷。在該問題中，我們監(jiān)測模型右角點y方向的速度，記錄該運動所采用的命令是：histyvel(20,20)type1關鍵詞type是在屏幕上以指定的間隔顯示其值。Step100;迭代次數(shù)在計算過程中，當前的循環(huán)數(shù)，計算時間、最大不平衡力，在點（20，20）的y方向速度以每間隔10次顯示在屏幕上。Plothist1TitleHEAD>ASIMPLESLOPESTABILITYEXAMPLEEQUILIBRIUMSTAGEPlotblockSaveslope.sav通過最左邊的塊體來研究邊坡的特性：deleterange0,50,20命令delete將刪除形心位于0<x<5，0<y<20范圍內(nèi)的所有塊體。同時，采用Step或cycle命令繼續(xù)進行計算。Cycle1000Plotblockvelocity2.3概念與術語UDEC所涉及的一些術語大部分與其他應力分析程序類似。在UDEC模型中采用一些特殊的術語來描述不連續(xù)面特征。按分類給出如下的基本定義。圖2.6給出所給出的術語定義。UDECMODEL－UDEC模型：是用戶為模擬實際的物理模型建立的。當稱之為UDEC模型，就意味著為數(shù)值求解定義的求解條件的一系列命令。BLOCK－塊體：是離散單元計算的基本單元體。通過切割一個塊體成多個小的塊體產(chǎn)生UDEC模型。每一塊可能與其他塊體分離或通過界面力與其他塊體相互作用的獨立塊體。CONTACT－接觸：每一塊體通過點接觸與相鄰塊體連接。接觸可以認為是施加外力到每一塊體的邊界條件。DISCONTINUITY－不連續(xù)面：是分離巖體成離散部分的地質(zhì)特征。不連續(xù)面包括巖體中的節(jié)理、裂隙、斷層和其他不連續(xù)特征。圖2.6UDEC模型的例子DOMAIN－區(qū)域：是指塊體間的空洞或空間。DOMAIN在UDEC模型中被處理為實體。每一個DOMAIN是由兩個或多個接觸面確定的封閉區(qū)域。外DOMAIN是指圍繞UDEC模型的區(qū)域。ZONE－單元：是由有限個單元組成的變形塊體。在每一單元計算力學變化和溫度變化。在UDEC采用三角單元。GRIDPOINT－結點（或節(jié)點）：節(jié)點包括有限單元的角點。每一單元涉及三個節(jié)點。一對x和y坐標定義每一個節(jié)點。因此確定了有限單元的精確位置。另一節(jié)點的術語是node。MODELBOUDARY–模型的邊界：是一個UDEC模型的周邊。邊界與模型的外區(qū)域一致。內(nèi)邊界（即模型內(nèi)的孔洞）也是模型的邊界。每一內(nèi)邊界通過內(nèi)區(qū)域定義。BOUNDARYCONDITION－邊界條件：是約束或控制模型的邊界（即對于力學問題固定位移或外力）。INITIALCONDITION－初始條件：模型受擾動（開挖）或加載（支護）前的原巖應力狀態(tài)。NULLBLOCK－開挖塊：表示模型中的空域（即材料不存在）?？諌K體可在后來加以改變，例如，模擬回填（但一旦塊體從模型中刪除，就不可能恢復）。STRUCTURALELEMENT－結構單元：用來表征結構（如隧道襯砌、錨桿和錨索）與巖體的相互作用的一維單元。結構單元也可以具有材料非線性。在大應變模型中可以出現(xiàn)幾何非線性。STEP－求解（或迭代）：盡管一個大的問題需要上萬次計算才能達到穩(wěn)定解，但一般典型問題的求解需要2000～4000次循環(huán)，可以獲得系統(tǒng)的平衡或穩(wěn)態(tài)流。STATICSOLUTION－靜態(tài)解：當模型中動能的變化速率接近可以忽略的情況時，UDEC就認為達到了靜態(tài)或擬靜態(tài)解。UNBALANCEDFORCE－不平衡力：表示當靜力分析中的力所處于的不平衡狀態(tài)（即節(jié)理開始滑動或塑性流動）。DYNAMICSOLUTION－動力解：盡管系統(tǒng)的缺省為靜態(tài)求解過程，但可以進行動態(tài)分析。對于動態(tài)分析，全運動方程（包括慣性項）可被求解。動能的消耗產(chǎn)生直接影響。2.4UDEC模型：初始塊體的劃分UDEC模型首先生成整個計算范圍的單一塊體。然后，通過用地質(zhì)結構特征（如斷層、節(jié)理裂隙等）和工程結構（如地下洞室與隧道等）作為邊界，切割該塊體成小的塊體來考慮模型特征。模型的所有塊體都是通過塊體質(zhì)心和角點的坐標（x和y）確定。塊體接觸面以及變形塊體的節(jié)點也通過他們的坐標位置確定。產(chǎn)生模型包括由端點坐標（x，y坐標）所定義的線段（splits）切割模型塊體。UDEC模型所有的條目（塊體、角點、接觸面、空區(qū)、節(jié)點和單元）都是通過位于主數(shù)組中的地址編號，由UDEC自動的、唯一識別和確定。這些編碼號也可以用作特殊的單元。編碼系統(tǒng)并不是順序編碼，所以用戶必須通過繪圖或打印加以識別。例如，圖2.7說明一個UDEC模型塊體在x和y方向皆為10個單位（比如10m）。模型通過一水平不連續(xù)面（x=0,y=5tox=10,y=5）劃分成兩個塊體。這兩個塊體具有編號為2和118。塊體通過位于塊體角點之間的接觸面連接。接觸號是223和260。內(nèi)部區(qū)域由兩個接觸面產(chǎn)生并由內(nèi)部區(qū)域號297所識別。顯示在圖2.7中的模型由列在下表中的命令產(chǎn)生。block(0,0)(0,10)(10,10)(10,0)Crack(0,5)(10,5)plotholdblocknumcontnumdnum兩塊體的每一塊可通過產(chǎn)生有限單元形成變形體。圖2.8給出了上部塊體劃分為8個單元和下部塊體劃分為4個單元的單元號。在兩塊體間產(chǎn)生了一個新的接觸面（序號為606）。位于塊體棱上的任何節(jié)點總會產(chǎn)生。新的接觸606對應于上部塊體的棱產(chǎn)生的新的角點。Genquad11,6range0,100,5Genquad10Plotholdzonenumcontnum圖2.7UDEC模型塊體被劃分成兩個剛體圖2.8包含兩個變形塊體的UDEC模型2.5命令語法UDEC中所有命令都是面向單詞，并由主要命令單詞和隨后的一個或多個關鍵詞或值構成。某些命令接受開關，即關鍵詞修改命令的作用。每一命令都具有下列格式：COMMANDkeywordvalue…<keywordvalue…>在此，位于<>內(nèi)的參數(shù)為選擇參數(shù)。而位于（）表示可以該參數(shù)為任意給定的值。命令可依次寫在命令行中?？赡苣阋炎⒁獾?，命令關鍵詞僅前面幾個字母為黑體。實際輸入時僅輸入這些黑體字母就可由系統(tǒng)識別。2.6UDEC應用基礎UDEC是基于命令驅(qū)動格式。命令單詞控制程序的運行。本節(jié)將提供給新用戶一些基本命令。為了建立一個UDEC模型進行模擬，必須考慮計算問題的基本成分：（1）由切割產(chǎn)生幾何問題，由此建立離散單元塊體模型；（2）本構特性和材料性質(zhì)；（3）邊界條件和初始條件。塊體模型定義問題的幾何體。本構特性及所涉及的材料參數(shù)反映模型在受到干擾后的力學響應。邊界條件和初始應力定義了原巖狀態(tài)，即在未受到擾動（開挖、支護、爆破等）前的應力和位移狀態(tài)。在UDEC中定義了這些條件后，可以進行改變（即開挖材料或改變邊界條件），從而計算產(chǎn)生模型響應。像UDEC一類顯式求解技術所獲得問題的實際解與傳統(tǒng)的隱式求解方法的結果有所不同。UDEC采用的是顯式時間步求解代數(shù)方程，其解是在一系列計算迭代后才獲得。在UDEC中計算迭代步數(shù)可以通過用戶控制。用戶必須確定所進行的求解迭代步數(shù)是否達到了實際問題的解。圖2.9給出了采用UDCE進行靜態(tài)分析的求解一般過程。由于這求解程序符合實際物理模型的生產(chǎn)工序和實際條件，因此其計算過程是方便的。采用上述過程進行簡單的應力分析的UDEC基本命令將敘述如下。2.6.1塊體劃分UDEC模型是通過切割初始的UDEC塊體成小的塊體代表模型的實際邊界。采用下述命令，建立模型塊體。Blockx1,y1x2,y2x3,y3在此，（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）…是定義塊體角點的坐標對。角點必須按順時針方向排列。角點應當與物理模型的邊界條件一致。塊體有很多角點，但通常從4角點塊體做起。在UDEC中所有塊體都有“圓角”，其目的在于避免塊體懸掛在有棱角的節(jié)點上。由于塊體懸掛引起應力集中。然而，圓角值存在與模型有關的上限值。對于變形塊體，最大圓角長度應當不超過塊體平均棱長的1％。圓角長度可以如下命令加以改變：roundd在此，d是圓角距離（缺省值是d=0.5）。模型中的所有圓角長度都是相同的。建議在block命令前指定圓角長度。在block命令后，鍵入plotblock命令，就能夠顯示圓角的效果。建立模型建立模型（1）生成模型塊體，切割塊體產(chǎn)生計算模型的幾何體；（2）定義本構模型和材料參數(shù)；（3）指定邊界條件和初始條件。迭代計算使之平衡（模擬未擾動前狀態(tài)）進行變化分析例如：地下開挖改變邊界條件迭代計算檢查模型響應檢查模型響應重復其他變化進行響應分析圖2.9靜態(tài)分析的一般過程UDEC有幾個命令用于產(chǎn)生計算模型的幾何體。生成地質(zhì)結構（即節(jié)理）的兩個主要命令如下：CrackJsetCrack命令用于產(chǎn)生塊體中單一直線特征的裂縫。裂縫由端點坐標（x1，y1）和（x2，y2）所確定。Jset命令則是自動節(jié)理組生成器。根據(jù)所給定的特征參數(shù)（即傾角、跡長、巖橋長度、間距和空間位置）產(chǎn)生一組裂縫。Crack和Jset兩個命令用于產(chǎn)生UDEC塊體中的地質(zhì)不連續(xù)面，即節(jié)理并不一定完全將巖塊切割成分離兩個塊體。然而，UDEC需要連續(xù)斷裂（即所有斷裂都必須切割塊體）。由crack或Jset命令所產(chǎn)生的不連續(xù)面位置將被儲存。為產(chǎn)生塊體內(nèi)連續(xù)斷裂，可采用crack命令產(chǎn)生的斷裂。剛性塊體在計算過程中，或變形塊體在單元劃分時，沒有連接形成完整塊體的裂縫將被刪除。下面的例子說明用Crack和Jset命令切割塊體。這兩個命令的詳細描述將在命令表的第1節(jié)給出。節(jié)理生成器將在3.2.2節(jié)給予詳細解釋。Example2.4產(chǎn)生簡單的UDEC模型round0.1block(0,0)(0,10)(10,10)(10,0)Crack(0,5)(10,5)在這個最簡單的模型中，切割塊體涉及選擇位置和指定裂縫。通過鍵入這些命令，就可以產(chǎn)生10×10個單位的塊體，然后劈裂成兩個塊體。CRACK命令產(chǎn)生一個連續(xù)、水平的貫通模型的裂縫。注意圓角的長度指定為0.1。通過鍵入如下命令，可以產(chǎn)生一個槽口：crack2.5,105.0,7.5crack5.0,7.57.5,10通過鍵入以下命令，就顯示出包括塊體地址號的塊體圖形。Plotblocknum通過采用DELETE命令，能從模型中刪除一個塊體。例如，為了刪除槽口塊體，鍵入如下命令：deleterangeblock368或deleterange4.5,5.58,104.5<x<5.5和8<y<10的范圍必須包含被刪除塊體的形心。注意，當對模型進行某些操作時，采用坐標范圍是比較明智的。與問題相關的地址號有時發(fā)生變化。對于JSET命令的參數(shù)需要4組數(shù)據(jù)對參數(shù)值。每一數(shù)據(jù)對中的第一個值是均值，而第二個是對應于均值的最大均方差（相對于均勻概率分布形式）。第一組數(shù)據(jù)對是節(jié)理跡線與x-坐標軸的正方向的夾角。第二對數(shù)據(jù)節(jié)理跡線長度；第三組數(shù)據(jù)是不連續(xù)節(jié)理的巖橋長度；第四組數(shù)據(jù)是節(jié)理間距。還有一些選擇參數(shù)，可以用于產(chǎn)生一組比較復雜的節(jié)理模式。JSET命令的一般應用在3.2.2節(jié)加以討論。采用JSET命令產(chǎn)生兩組節(jié)理組的應用在例2.5中得到說明。例2.5兩組連續(xù)節(jié)理組的產(chǎn)生newround0.01block(0,0)(0,20)(20,20)(20,0)jset(45,0)(5,0.5)(0.5,0)(2,0)jset(-10,0)(5,0.5)(0.2,0)(1.5,0)在上例所生成的節(jié)理圖如圖2.11所示。第一個JSET命令產(chǎn)生一組與x軸方向夾角為45o具有間距為2個單位的連續(xù)節(jié)理。第二個JSET命令產(chǎn)生與x方向夾角為-10o、間距為1.5個單位的連續(xù)節(jié)理。圓角長度的選擇可能影響節(jié)理組的產(chǎn)狀。節(jié)理的位置可能由于當棱長小于2倍的圓角長度不能產(chǎn)生塊體而可能改變節(jié)理的位置。如果在JSET命令前，增大圓角的長度（比如說0.1），模型中某些節(jié)理的位置將發(fā)生改變。用JSET命令產(chǎn)生節(jié)理可能涉及某些試錯法。第3節(jié)給出了進行產(chǎn)生節(jié)理過程的建議。圖2.11產(chǎn)生的兩組連續(xù)節(jié)理模型當產(chǎn)生大小懸殊的塊體時，建議從模型中刪除較小塊體，以提高模型的計算效率。在例2.5中，塊體尺寸的變化范圍從1.751×10－3到3.679，可以由以下命令查找:Printmax鍵入如下命令，刪除極小塊體：deleterangearea3e-2所有面積小于3×10-2的塊體都從模型中刪除。通常，將小于最大塊體的1％左右小塊被刪除后對計算結果的影響并不顯著。最后，注意到NEW命令用在第二個例子，以便允許開始一個新的模型。當切割塊體（尤其當采用JSET）時，一個重要問題是綜合考慮塊體數(shù)與計算速度的協(xié)調(diào)。計算速度與模型的塊體數(shù)（或變形體單元數(shù)）成函數(shù)關系。根據(jù)經(jīng)驗，模型具有大約1200剛體（或具有8自由度的500變形體）進行2000～4000迭代步就能獲得靜態(tài)問題的解。對于90MHz的微機，對于500個變形塊體模型允許4000步大約需要10分鐘。根據(jù)你的計算機的計算速度，可以估算出一個模型所需的計算時間。通過切割UDEC塊體形成工程結構形狀，這須在進行工程開挖前實施。通常采用三個命令來產(chǎn)生形狀：cracktunnelarc前面已經(jīng)給予介紹CRACK命令。TUNNEL命令產(chǎn)生圓形形狀。該圓由用戶指定的裂縫段數(shù)構成。ARC命令由用戶指定的角度，產(chǎn)生弧形斷裂模型?？梢越Y合這些命令產(chǎn)生各種形狀的UDEC塊體。例2.6給出的命令產(chǎn)生斷層切割一個圓形隧道的模型。EXAMPLE2.6斷層切割一個圓形隧道NewRound0.1Block-10,-10-10,1010,1010,-10Tunn0,0216Crack-5,105,-10Ploholdblocknum所生成的模型如圖2.12所示。圓形隧道的圓形坐標（0,0）、半徑為2和劃分成16個裂縫段。由于隧道全部處于塊體內(nèi)部，所以僅用TUNNEL命令不能產(chǎn)生獨立的塊體。必須采用CRACK切割模型塊體的邊從而產(chǎn)生新的塊體。如果用戶運行僅用TUNNEL命令所產(chǎn)生的模型，則隧道裂縫在運行前被刪除。通過引入CRACK命令，連接隧道裂縫延伸到模型外邊界從而形成連續(xù)的裂縫，因此，形成有隧道和斷層構成的塊體（如圖2.12所示）。應當注意，裂縫并不貫穿隧道的周邊。如果TUNNEL命令先給出，隨后的CRACK或JSET命令并不貫穿隧道。首先應用TUNNEL是較為方便的，因為隧道開挖僅涉及刪除一個塊體，即deleterangeblock1920或deleterange-1,1-1,1將模擬圓形隧道的開挖。圖2.12斷層切割圓形隧道例2.7給出了一條斷層切割一個馬蹄形隧道：NewRound0.1Block-10,-10-10,1510,1510,-10arc0,52,51808Crack-2,0-2,5Crack-2,02,0Crack2,02,5Crack-5,155,-10隧道的形狀如圖2.13所示。隧道頂弧的圓心在（0，5），起始點在（2，5）和180o的圓心角，逆時針畫圓，劃分成8段。前三個CRACK命令產(chǎn)生隧道的邊墻和底板，后一個CRACK產(chǎn)生一條切割隧道的斷層。開挖隧道也可以通過刪除塊體編號或塊體形心位置來實現(xiàn)。另一選擇就是指定包含該隧道塊體的圖象窗口，然后刪除窗口中的塊體。這可以用下面命令實現(xiàn)：window-2,20,7deleterangewindow圖2.13斷層與馬蹄形隧道相交2.6.2指定材料模型2.6.2.1塊體模型一旦完成塊體切割，必須對所有的塊體和不連續(xù)面指定材料特性。缺省為所有的塊體皆為剛體。在多數(shù)分析中，塊體應為變形體。僅僅在應力水平較低或巖塊材料具有高強度和低變形的情況才能夠應用剛性塊體的假設。塊體的變形特征通過以下命令定義：genedgev或genquadvGEN命令激活三角形網(wǎng)格有限單元自動生成器。命令GENedgev將作用于任意形狀的塊體。其v值定義三角形單元的最大邊長，即v值越小，塊體中的單元越小。應當注意的是：具有高的邊長比值的塊體并不能產(chǎn)生單元，其極限的比重近似為1:10。通過Plotzone檢查模型單元。采用命令GENquadv，指定模型為塑性材料模型的單元。該類型的單元提供了對于塑性問題的精確解。然而，GENquad命令可能對某些形狀的塊體不起作用。在此情況下，應當采用GENedge。在UDEC中為變形塊體（單元）開發(fā)了7種材料模型。對大部分用戶，最常用的三種模型如下：changecons=0;nullmodelchangecons=1;elasticmodelchangecons=3;Mohr-coulombmodelCHANGE命令改變塊體為指定的變形塊體。Cons=0意味著模型塊體材料被移出或開挖。這允許用戶改變塊體在以后的某些階段返回為彈性或彈塑性材料。如果塊體被刪除，則以后計算階段不可再恢復。Cons=1改變塊體為各向同性彈性特性；而cons=3則改變塊體為摩爾－庫侖模型，考慮塑性特性。缺省值為所有變形體則自動改變?yōu)閏ons=1。塊體改變?yōu)閏ons=1和cons=3必須提供PROPERTYmat命令給塊體賦予材料參數(shù)值。注意性質(zhì)參數(shù)不要賦給特定的塊體，而是賦給材料號。材料參數(shù)可以賦值給多達50種材料號。然后，材料號再賦給具有CHANGEmat命令的塊體。對于彈性模型，需要的性質(zhì)為：（1）密度（2）體積模量（3）剪切模量注意：體積模量K、剪切模量G與楊氏模量E、泊松比之間的關系如下：，或，對于摩爾－庫侖塑性模型，需要的性質(zhì)為：（1）密度（2）體積模量（3）剪切模量（4）內(nèi)摩擦角（5）粘聚力（6）剪脹角；（7）抗拉強度如果上述參數(shù)沒有賦值，系統(tǒng)自動賦零值。對于UDEC程序，對于上述兩個模型，密度、體積模量和剪切模量必須賦予正值。2.6.2.2節(jié)理模型除了給塊體賦予材料模型外，還應對模型中的所有不連續(xù)面（即接觸面）賦予材料模型。對于不連續(xù)面，有四種本構模型。在UDEC中開發(fā)了四種節(jié)理本構模型。但對于大部分模型分析，最適宜的模型有庫侖滑動模型（完全彈塑性），可通過如下模量賦予不連續(xù)結構面：changejcons=2所有不連續(xù)結構面的缺省模型是Jcons=2。節(jié)理材料模型也是通過PROPERTYmat命令賦予材料性質(zhì)參數(shù)。如同塊體，參數(shù)并不是直接賦給不連續(xù)面，而是材料號。材料號是通過CHANGEmat命令賦給節(jié)理。對于庫侖滑動模型，所需要的參數(shù)是：（1）法向剛度（2）切向剛度（3）內(nèi)摩擦角（4）粘聚力（5）剪脹角；（6）抗拉強度如果所有的參數(shù)沒有給賦值，他們的缺省值為零。在UDEC中，必須給節(jié)理的法向和切向剛度賦值，并為正值。例2.8演示了材料模型的應用。例2.8指定材料模型與性質(zhì)參數(shù)NewRound0.1Block-10,-10-10,1010,1010,-10tunnel0,02,16jset-70,040,00,040,0-1,-1jset-50,040,00,03,00,2genedge2.0changejmat=2rangeangle-51,-49changejmat=5rangeangle-71,-69promat=1d=2500b=1.5e9s=0.6e9projmat=1jkn=2e9jks=2e9jcoh=1e10jten=1e10projmat=2jkn=2e9jks=1e9jfr=45projmat=5jkn=2e9jks=1e9jfr=10changecons=0range-1,1-1,1在上面的例子中，一條與x軸方向成－70o單一斷層切割圓形隧道。還有傾角為－50o和間距為3m的節(jié)理組。塊體是變形的和具有最大邊長是2m的三角形單元。圖2.14顯示了隧道、節(jié)理和單元。塊體是彈性的，其性質(zhì)參數(shù)是通過PROPmat=1賦值。50o的節(jié)理組是通過性質(zhì)參數(shù)號2賦值。70o的斷層參數(shù)是由材料參數(shù)號5賦值。jmat=2，angle=-51,-49僅將性質(zhì)參數(shù)賦予-51o和-49o之間。jmat=5，angle=-71,-69僅將其值賦予范圍角位于-71o和-69o之間。所有其他不連續(xù)面被賦予材料號1，這意味著將具有高粘聚力和抗拉強度的粘結效應。這些不連續(xù)面是“虛擬的”節(jié)理和對應于后來將隧道開挖。虛擬節(jié)理不發(fā)生滑動或張開。可用以下命令檢查材料號。Plotblockmat隧道塊體被改變?yōu)閏ons=0是模擬開挖。Plotzone可得到下圖。圖2.14圓形隧道與70o斷層和50o節(jié)理組構成的模型2.6.3施加邊界條件和初始條件在完成所有塊體切割（節(jié)理切割）和變形單元劃分之后，應施加邊界條件和初始條件。施加力學邊界條件通常采用BOUNDARY命令。該命令用來指定力、應力和速度（位移）邊界條件。邊界力和應力能夠施加到剛體和變形體的邊界上，但速度（位移）邊界僅適用于變形塊體（見施加剛性塊體的邊界命令FIX，F(xiàn)REE和LOAD）。表2.4提供了邊界條件命令的總結和效果。BOUNDARYxload和yload命令施加x-和y-方向的分力到邊界角點。BOUNDARYstress施加應力張量到邊界上。BOUNDARYxvel和yvel在選擇的邊界結點施加x-和y-方向的速度。注意的是：應用BOUNDARY命令所產(chǎn)生的條件或約束將不發(fā)生改變（除非用戶再次改變）。表2.4邊界條件命令總結命令效果BOUNDARYStress施加總應力到剛體或變形體塊體的邊界上Xload施加剛體或變形體邊界的x方向的荷載Yload施加剛體或變形體邊界的y方向的荷載Xvel施加變形體邊界的x方向的速度（位移）Yvel施加變形體邊界的y方向的速度（位移）FIX固定剛體邊界的速度（位移）FREE釋放剛體的速度（位移）LOADXload施加x方向的荷載到剛體的邊界Yload施加y方向的荷載到剛體的邊界初始應力條件能夠被指定到所有的變形單元和所有剛體或變形體之間節(jié)理的法向應力和剪切應力。INSITU命令用來初始化應力。采用該命令，可以賦值初始應力。邊界的初始條件應用于例題2.8，其命令應用見例2.9。例2.9施加的邊界條件和初始條件boundarystress-10e6,0,0range-11,-9-10,10boundarystress-10e6,0,0range9,11-10,10boundarystress-5e6,0,0range-10,109,11boundaryyvel=0.0range-10,10-11,-9insitustress-10e6,0,-5e6szz-4.8e610MPa壓應力被作用到模型的左、右邊界的x方向上。5MPa的壓應力（負號為壓）被施加到上部邊界的y方向。底部邊界的y方向的運動被固定。固定邊界的位移對于考慮重力的情況下是尤其重要的。注意：應力邊界影響所有的自由度。因此，在施加速度邊界條件前的同一邊界，應當施加應力邊界條件，否則，所指定的速度約束將不起作用。而且，四個BOUND命令的每一個都應給出x和y的坐標范圍。應當提醒的是為了確保通過BOUND命令所產(chǎn)生的響應完全位于指定的范圍。鍵入如下命令：Printbound和PlotboundxcondPlotboundycond來檢查邊界條件。命令INSITU在x方向始化所有的應力為-10MPa和在y方向初始化應力為-5MPa。在平面之外的z方向也給予初值=-4.8MPa。對于彈性塊體分析，z方向的應力未初始化并不影響平面應變問題的解。然而，對于塑性分析，z方向的應力可能影響到破壞狀態(tài)，因此，應當慎重選擇的應力初始化。2.6.4迭代為初始平衡UDEC模型在進行開挖模擬前必須進行初始狀態(tài)的平衡計算。施加合適的邊界條件和初始條件，使模型與初始的平衡狀態(tài)相吻合。然而，對于復雜的幾何形狀和多介質(zhì)材料的情況，在給定的邊界條件和初始條件下，進行計算獲得平衡是十分必要的。其計算可采用STEP（或CYCLE或SOLVE）命令。借助于STEP命令，為達到模型的平衡，用戶指定循環(huán)步進行計算。當每一剛體形心的結點力或變形體的結點力接近零，模型就處于平衡狀態(tài)。當激活STEP命令后，最大的結點力矢量（稱之為不平衡力）由UDEC進行監(jiān)測，并在屏幕上顯示。在此用戶能夠估計模型何時達到平衡狀態(tài)。對于任何模型的數(shù)值分析，不平衡力不可能完全達到零。但當最大的結點不平衡力與初始所施加的總的力比較相對較小時，就可認為模型達到平衡狀態(tài)。例如，如果最大不平衡力從最初的1MN降低到100N，此時（最大不平衡力與初始的不平衡力之比為0.01％），則認為模型達到平衡。采用UDEC進行數(shù)值分析判斷模型平衡是一個重要的問題。用戶必須確定模型在何時達到平衡狀態(tài)（即問題的解）。在UDEC中設置有一些特征，用于支持這種決策。如記錄最大不平衡力歷史是其中之一：histunbal除此之外，還有速度歷史（即某一結點的速度或位移），命令如下：histxvel5,5histydisp0,11第一個是記錄位移坐標（x=5,y=5）附近結點x方向的速度，而第二個是記錄接近坐標（x=0,y=11）位置處y方向的位移。在進行數(shù)百次或數(shù)千次迭代后，這些歷史記錄將繪圖和顯示其平衡條件。圖2.15所示的模型為節(jié)理巖體中開挖一矩形區(qū)域。在此巖體中存在一組節(jié)理和一條斷層。模型受10MPa的靜水應力場和重力作用。重力是用以下命令：setgrav0.0,-9.81第一個是x方向的加速度，第二個值為y方向的加速度為9.81m/sec2（向下作用）。當考慮重力所引起的應力變化不大可以忽略重力的作用。在例2.10中，盡管考慮重力，有助于識別圍繞洞室周圍的松散塊體受重力的作用，但是考慮重力引起的應力變化小于0.5MPa，相對于10MPa的原巖應力可以忽略不予考慮。ro0.1bl-10,-10-10,1010,1010,-10cr-2,-2-2,2cr-2,22,2cr2,22,-2cr2,-2-2,-2jset70,040,00,040,0-2,0jset-50,040,00,03,01,2genedge2.0chanjmat=2rangeangle-51,-49chanjmat=5rangeangle69,71propmat=1d=2500b=1.5e9s=.6e9propjmat=1jkn=2e9jks=2e9jcoh=1e10jten=1e10propjmat=2jkn=2e9jks=1e9jfr=45propjmat=5jkn=2e9jks=1e9jfr=5boundstress0,0,-10e6range-10,109,11boundxvel=0.0range-11,-9-10,10boundxvel=0.0range9,11-10,10boundyvel=0.0range-10,10-11,-9insitustress-10e6,0,-10e6szz-10.0e6setgrav0.0-9.81histunbalhistydis0,2;solvefor10step700savefall1.sav如果位于開挖體頂板的塊體被分離，則由于重力作用將落到洞室。這將在后面的2.6.5節(jié)中詳細說明。應當注意，當重力應力與原巖應力具有相同的量級，則用INSITU命令施加應力梯度（應力隨高度的變化）以加速初始平衡狀態(tài)的收斂。圖2.15節(jié)理巖體中的矩形開挖體初始不平衡力近似為2.0MPa。在進行700步后，降至約為10N。通過繪制兩個歷史可以發(fā)現(xiàn)，最大的不平衡力已接近零，位移接近2.7×10-3m圖2.16最大不平衡力歷史圖2.17在（0，2）位置的y位移歷史模型的不平衡力在接觸力和塊體角點與結點的力略有差異，這與圓形角點有關。圓形在塊體角點產(chǎn)生很小的“洞”。為不平衡力的平衡增加某些迭代步是必要的。設置不平衡力的值：solveforce=f在此，f為用戶定義的不平衡力值。檢查不連續(xù)面的破壞條件是十分重要的。對于這個問題，初始x發(fā)現(xiàn)和y方向的應力分量是相同的，因此，模型中的節(jié)理不能滑動，這可以用以下命令加以驗證：Plotbouslip所顯示的圖形是由模型外邊界和滿足庫侖滑動準則的節(jié)理組成。對于選擇的模型條件，有可能出現(xiàn)在原巖應力狀態(tài)下節(jié)理發(fā)生滑動。例如，改變水平應力分量到-5MPa并回到例2.10。則斷層將沿著整個長度上發(fā)生滑移。如何識別初始應力在平衡計算過程中節(jié)理發(fā)生的滑移，用戶應當重新評估所選擇的原巖應力參數(shù)和不連續(xù)面強度。沿著節(jié)理長度滑移的模型表明該模型并非可靠。在模擬開挖前確保模型處于平衡狀態(tài)是十分重要的。通過記錄幾種歷史以考察最大的不平衡力的衰減。如果所進行的計算步超過模型達到平衡所需的計算步，并不會影響計算結果。然而，如果不充分的計算步將影響模型的計算結果。UDEC計算可在任何時間通過按<Esc>被中斷。更方便的是使用STEP命令進行高次數(shù)的計算和周期的中斷和再次分析，以確保達到平衡狀態(tài)。2.6.5進行改變和分析UDEC允許在求解過程中的任意部位改變模型條件。這些變化可能具有以下形式：（1）開挖材料；（2）增加或刪除邊界荷載或應力；（3）固定或釋放邊界結點的速度（位移）；（4）改變材料模型或塊體和變形體的性質(zhì)參數(shù)?？梢杂肈ELETE命令或CHANGEcons=0命令模擬材料開挖。用BOUNDARYxload，yload或stress命令施加荷載和應力。通過采用BOUNDARYxvel或yvel命令固定邊界角點。通過BOUNDARYxfree和yfree命令移去邊界約束。用CHANGE命令改變變形塊體和不連續(xù)面的材料模型。而用PROPERTY命令可改變材料性質(zhì)參數(shù)。很顯然，幾種命令可以重復應用，進行各種模型的改變。例如，從初始平衡狀態(tài)，應用這些命令繼續(xù)例2.10獲得例2.11。例2.11開挖隧道和監(jiān)測其響應restfall1.savdelete-2,2-2,2resetdispresethisthistunbalhistydis0,2step2000plotblostressdispsavefall2.sav由于采用DELETE命令，模擬開挖矩形洞室，導致模型應力的變化。結點位移與歷史記錄被重新設定，僅由開挖所引起位移變化被監(jiān)測。建議在塊體被刪除后重新設定歷史位置。在矩形洞室開挖后產(chǎn)生很高的不平衡力，因此需要進行計算使之獲得重新平衡。然而，在此情況下，沒有觀測到不平衡力接近很小的值，而處于其值為0.017MN的常值。進而y位移歷史記錄也顯示在計算2000步后，在位置（0，2）的位移仍向下運動。開挖頂板上的塊體已經(jīng)從圍巖脫離和掉落到洞室內(nèi)。這由圖2.18清楚地看出。不平衡力不可能接近于零，因為頂板塊體應自由下落。如果預計模型變化將導致破壞（即力的平衡條件不能獲得）就不要用SOLVE命令求解。圖2.18洞室頂板塊體發(fā)生冒落2.6.6保存或恢復計算狀態(tài)當進行分步計算時，另外兩個命令SAVE和RESTORE是有用的。在一個階段的結尾（即初始平衡），采用如下命令，可以保存模型狀態(tài)。Savefile.sav式中，file.sav是一個用戶定義的文件名。擴展名.sav定義這個文件是一個保存文件。這個文件可以采用如下命令進行恢復：restfile.sav2.6.7簡單分析的總結在表2.5中給出了本節(jié)所介紹的主要命令。更常見的情況求解問題需要從進行一個簡單的問題計算開始。表2.5簡單問題分析的基本命令功能命令產(chǎn)生塊體模型ROUNDBLOCK切割塊體CRACKJSETTUNNELARC塊體和節(jié)理的材料模型和參數(shù)GENCHANGEPROPERTY邊界條件和初始條件BOUNDARYINSITU初始平衡（具有重力）DAMPlocalSETgravitySTEPSOLVE模型變化DELETECHANGEPROPERTYBOUNDARYCABLE監(jiān)測模型響應HISTORYPLOT保存或恢復當前狀態(tài)SAVERESTORE2.8系統(tǒng)單位表2.6系統(tǒng)單位－力學參數(shù)SILengthmmMcmDensitykg/m3103kg/m3106kg/m3106g/m3ForceNkNMNMdynesStressPakPaMPaBarGravitym/sec2m/sec2m/sec2cm/sec23用UDEC求解問題本章為應用UDEC求解巖石力學工程問題提供指導。在3.1節(jié)給出地質(zhì)力學分析階段的建議。在3.2節(jié)通過例3.10明確了模型準則和求解過程必須考慮的問題，涉及的問題如下：（1）產(chǎn)生模型（3.2節(jié)）；（2）剛體或變形塊體的選擇（3.3節(jié)）；（3）邊界和初始條件（3.4和3.8節(jié)）（4）加載和模擬順序（3.6節(jié)）；（5）塊體和節(jié)理模型和材料參數(shù)的選擇（3.7和3.8節(jié)）；（6）改進模型效率的方法（3.9節(jié)）；（7）計算結果的解釋（3.10節(jié)）。最后，地質(zhì)力學領域的模擬原理參見3.11節(jié)。在該領域進行模型分析的新手可能希望首先咨詢該節(jié)。地質(zhì)力學模擬方法與其他工程領域，如結構工程存在很大的不同。進行地質(zhì)力學分析始終記住這一點是十分重要的。3.1一般性研究模擬地質(zhì)工程的過程涉及一些特殊的考慮，其設計方法也與其他人工材料結構不同。在巖土體上建造結構或在其中開挖分析與設計，必然面對相對少的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及材料的變形和強度性質(zhì)參數(shù)存在較大變化的情況。獲得巖土工程現(xiàn)場完整的現(xiàn)場資料是不可能的。例如，原巖應力、材料性質(zhì)和不連續(xù)面特性等信息僅是部分的。由于為設計預測所輸入的必要信息是有限的，所以，地質(zhì)力學數(shù)值模型主要用于理解影響系統(tǒng)特征的力學機理。一旦掌握了系統(tǒng)的特性，然后，為工程設計過程探索一些簡單的計算。面對地質(zhì)工程研究總是缺少滿意的數(shù)據(jù)以及缺乏對材料性質(zhì)的充分理解，而在其他領域，在具有充足的數(shù)據(jù)的情況下，應用UDEC可直接用于工程設計。當獲得合理的數(shù)據(jù)應用此程序時總能獲得合理的結果。應當認識到，如圖3.1所示的應用的過度階段。典型情況復雜的地質(zhì)條件；簡單的地質(zhì)條件不可獲取的數(shù)據(jù)；投入資金無試驗經(jīng)費進行現(xiàn)場研究數(shù)據(jù)無資料充分研究機理通過參數(shù)研究預測研究現(xiàn)場特性分類（直接用以設計）圖3.1模型研究圖譜UDEC程序可用于模型特性的預測（如圖3.1的右邊），或僅作為“數(shù)值試驗”來測試一些設想（圖3.1的左邊）。正是現(xiàn)場資料（和資金）而不是程序決定了應用情況。如果具有高質(zhì)量的和足夠的數(shù)據(jù)，UDEC就能夠給出好的預測。由于大部分的UDEC分析是處于較少數(shù)據(jù)的情況下進行的，所以，本節(jié)將探討類似于試驗研究的數(shù)值模型研究技術。數(shù)值模型決不應當被認為是一個一端接受信息而另一端輸出結果的“黑箱”。為了獲得可以合理的解釋，必須十分注意準備數(shù)值“樣本”和多樣本“試驗”。表3.1列出了進行成功的數(shù)值模擬試驗的建議步驟。下面分別討論：表3.1地質(zhì)力學問題的數(shù)值分析步驟第1步定義模型分析的對象第2步產(chǎn)生模型系統(tǒng)的概念圖形第3步建造和允許簡單的理想模型第4步搜集模型所需的計算數(shù)據(jù)第5步準備一系列用于分析的詳細模型第6步進行模型計算第7步提供結果和解釋3.1.1第1步：定義分析模型的對象一個分析模型所了解內(nèi)容與深入程度常常取決于分析的目的。例如，如果是為解釋系統(tǒng)的特性所提出的兩種相互沖突機理的決策，此時可建造一個較粗糙的模型，用于兩種機理的研究。如果試圖涉及存在于實際模型中的復雜條件，然而，如果可能對模型的響應產(chǎn)生微不足道的影響或與模型計算的目的毫不相關的計算特征可以被忽略。3.1.2第2步：產(chǎn)生物理系統(tǒng)的概念圖形重要的是構思出實際問題的圖形，便于初步估計在所施加的條件下，預測系統(tǒng)的基本特性。當準備這個圖形時，應當回答幾個問題。例如，該系統(tǒng)是否穩(wěn)定？主要力學響應是線性還是非線性？是否存在可能影響特性的不連續(xù)面？是否存在地下水的影響？實際的系統(tǒng)物理結構是否還存在其他幾何問題？這些考慮將表征了諸如模型的幾何形狀、塊體材料模型、邊界條件以及初始平衡條件等數(shù)值模型的總體特征。這將決定是否采用三維模型或二維模型？3.1.3第3步：建造和運行簡單的理想模型當為數(shù)值分析理想化一個物理系統(tǒng)時，較有效的方法是在構筑詳細的模型之前，首先建造和運行一個簡單的測試模型。為產(chǎn)生數(shù)據(jù)和對問題的理解，應在盡可能早的階段產(chǎn)生這樣的一個簡單模型。其結果可用于進一步系統(tǒng)的概念圖形。在簡單模型運行后可能需要重復第2步。簡單的模型能揭示一些問題，以便在進行深入分析之前加以修正。例如，所選擇的材料模型是否能夠代表所期望的特性？邊界條件是否影響模型的響應？基于簡單模型的計算結果能夠有助于指導對分析起重要影響作用的數(shù)據(jù)研究方案。3.1.4第4步：綜合特定問題的數(shù)據(jù)對于一個模型分析所需的數(shù)據(jù)類型包括：詳細的幾何參數(shù)（即地下洞室形狀、地表形態(tài)、壩形狀，巖石或土體結構）；地質(zhì)結構的位置（即斷層、層理，節(jié)理組等）；材料特性（即彈性或塑性性質(zhì)，峰后特性）；初始條件（即原巖應力狀態(tài)，孔隙壓力，飽和度）；外部加載（即爆破荷載、洞壁壓力）。由于分析所涉及的條件（尤其應力狀態(tài)、變形和強度性質(zhì)）存在很大程度的不確定性，為研究必須選擇參數(shù)的合理變化范圍?；诤唵文Ｐ偷挠嬎憬Y果（第3步）常常能夠有助于確定變化范圍。3.1.5第5步：準備一系列詳細的運行模型通常數(shù)值分析用于研究不同的破壞機理、研究一定范圍變化的計算參數(shù)的系列分析。當為計算準備一系列計算模型時，應考慮如下一些方面的問題：每一個計算需要花費多少時間？如果模型運行的時間過長，為達到有用的結論所需要獲得足夠的信息可能是困難的。為縮短計算時間，可以考慮在多個計算機上，運行參數(shù)變化的計算。應考慮保存所需要的模型在計算過程中的中間狀態(tài)，以便每一參數(shù)的變化不必重復計算。例如，如果分析幾個加載或卸載階段，用戶應當能夠返回運行已經(jīng)進行的任一階段，以便改變一個參數(shù)后從那一階段繼續(xù)計算。在模型中是否設置足夠的監(jiān)測位置（歷史記錄），為進行清楚地解釋模型計算結果和不同計算參數(shù)的比較分析提供足夠的信息？在模型中設置幾個參數(shù)變化的監(jiān)測點，對計算過程監(jiān)測是有幫助的。尤其模型中的最大不平衡力應當被監(jiān)測，以便檢查在分析的每一階段的平衡或破壞。3.1.6第6步：進行模型計算在進行一系列模型分析之前，最好首先選擇一個或兩個模型進行詳細地分析。這些運行應當隨時被中斷，確保達到預期的效果。一旦能夠確信模型的計算是正確的，幾個模型數(shù)據(jù)文件被聯(lián)系在一起，進行一系列模型的連續(xù)分析。在連續(xù)運行的任何時間，應有可能中斷計算，查看結果，然后繼續(xù)或修改模型。3.1.7第7步：提供結果和解釋求解的最后一步是為進行清楚地解釋分析提供計算結果。最好是通過直接在屏幕上顯示或輸出的圖形結果。圖形結果應當提供便于進行計算與現(xiàn)場觀測結果的比較方式。圖形應當能夠清楚地分析所感興趣的區(qū)域，例如應力集中位置、模型中穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)域。模型中任何變量的數(shù)值也能夠容易獲得,為詳細解釋模型的響應。為有效地進行地質(zhì)工程問題分析，我們建議了上節(jié)介紹應遵循的七個步驟。下面章節(jié)將論述在UDEC的應用中為模型研究中涉及到的這些步驟中的每一方面所涉及的特定問題。3.2產(chǎn)生模型UDEC程序在產(chǎn)生幾何模型的方式與傳統(tǒng)的數(shù)值分析程序有所不同。首先產(chǎn)生計算范圍的單一塊體。然后，這個塊體被切割成小的塊體。模型中塊體的邊界是地質(zhì)結構面或工程結構（如開挖體邊界）。這種切割處理被稱之為節(jié)理生產(chǎn)的幾何體。然而，“節(jié)理”代表物理模型中的實際地質(zhì)結構和人造結構邊界或?qū)⒈灰迫セ蛟谝院筮B續(xù)的計算步中改變材料。對于后者，節(jié)理是虛擬的，其存在不應影響模型的計算結果。虛擬節(jié)理的表征將在3.2.3節(jié)中討論。3.2.1確定UDEC模型合適的計算范圍UDEC幾何模型必須具有足夠大的范圍，在感興趣的區(qū)域內(nèi)，包含主要的地質(zhì)結構特征，由此代表真實的實際的物理問題?？紤]的方面如下：處于何處的地質(zhì)結構（即斷層、節(jié)理和層面）應詳細描述？模型邊界的位置對模型的影響程度如何？如果應用變形塊體，在關心的區(qū)域，何種密度的單元可滿足問題的精度？上述三個方面決定了實際分析UDEC模型的規(guī)模。如果僅有很少的地質(zhì)結構（即兩個或三個切割斷層或遍布空間的節(jié)理組），這些可能通過CRACK或JSET命令單獨輸入。記住UDEC是一個二維程序。除了特殊情況，忽略三維效應。如果地質(zhì)結構不能用垂直于分析平面的二維特征加以表征，則可能需要采用三維分析（例如ITASCA程序3DEC）。單個獨立特征的斷裂可用一種或兩種方式進行輸入。一種是用CRACK命令，他給出斷裂的兩個端點；另一種是用JSET命令，給出斷裂的傾角和斷裂通過的位置。例如，或者Crack(0,0)(10,10)或Jset(45,0)(20,0)(0,0)(100,0)(5,5)都可用來定義一個傾角為45o，且通過坐標點（x=5,y=5）的節(jié)理。為了在UDEC計算中得到認可，節(jié)理必須是連續(xù)的（即完全劈裂塊體成兩個部分）。然而，節(jié)理可以由分段連續(xù)、具有不同角點的分段構成。CRACK和JSET產(chǎn)生不連續(xù)節(jié)理段（SPLIT命令與CRACK具有相同的形式，但他不能產(chǎn)生不連續(xù)節(jié)理）。例如，燕尾狀節(jié)理可以用例3.1中的命令生成。例3.1燕尾狀節(jié)理Round0.1Block0,00,1010,1010,0cr0,52.5,6cr2.5,65,5cr5,57.5,6cr7.5,610,5在上述例子中，幾個CRACK命令的順序沒有限制。如果被后來產(chǎn)生的裂縫交切，內(nèi)部裂縫被保存在一個臨時性的文件中和后來被應用。在節(jié)理生成過程中，任何內(nèi)部或部分貫穿裂縫，在模型運行過程中被刪除。當塊體被賦予可變形的（GEN），內(nèi)部或部分裂縫也自動被刪除。也可采用JDELETE命令實施人工刪除。對于塊體作指定的圓角長度可能局部影響節(jié)理的產(chǎn)生。最小塊體棱長定義為圓角長度的兩倍。因此，節(jié)理段可能背離這個準則。例如，例3.2顯示了指定一個裂縫的端點位置處于角點圓角長度的兩倍，該裂縫通過角點的位置坐標發(fā)生錯位。UDEC并對任何這樣錯位不會給出任何警告，所以用戶應當通過采用PLOTblock命令隨時進行檢查。例3.2圓角長度對產(chǎn)生裂縫的影響NewRound0.2;Rou0.1Block0,00,1010,1010,0cr0.3,09.7,10如果圓角長度小到0.1，則裂縫將處在指定的位置。SETedge命令運行用戶人為定義的最小塊體棱長?；谶@個命令，用戶為精確求解而避免塊體具有小的棱長，或反之具有很大的邊長比，能夠設定一個較小的圓角長度。例如，如果設置命令SETedge0.4和ROUND0.1，則不會產(chǎn)生小于0.4的塊體棱長和塊體的圓角長度將為0.1。這些命令必須在BLOCK命令之前給出。模型中用于描述地質(zhì)特征的節(jié)理數(shù)（即塊體數(shù)）存在一個限制。這涉及模型的范圍和塊體的單元數(shù)（如果采用變形單元）。實際的限制依賴于如同表2.2所示的可利用計算機內(nèi)存。在進行節(jié)理生成時必須考慮這個限制。根據(jù)經(jīng)驗，最后的方式總是從較少節(jié)理開始，然后，如果有必要再逐漸增加節(jié)理來達到預期的效果。應當避免試圖建立一個復雜節(jié)理模型的誘惑，關于此問題將在3.11節(jié)中進一步討論。節(jié)理自動生成器可以在UDEC中得到，可根據(jù)實際測量的參數(shù)（即節(jié)理傾角、間距、長度和巖橋長度等）產(chǎn)生節(jié)理組。JSET命令也起到節(jié)理生成器的作用。如在第3.2.2節(jié)的例子所描述的那樣。在UDEC模型還可獲得一種特殊的生成Voroni形狀多邊形的節(jié)理生成器。在3.2.2節(jié)給出該程序的應用實例。高級用戶還可編寫自己的節(jié)理生成器。這可通過將節(jié)理生成器所定義節(jié)理段端點坐標（x，y）對組成的表列來實現(xiàn)。FISH函數(shù)可以完成這個自動處理過程。這個列表能夠被UDEC直接讀取。另外，圖形數(shù)字化儀也可以用來產(chǎn)生節(jié)理端點的坐標對。請記住，在UDEC內(nèi)的節(jié)理是作為直線段顯示。許多線段可能需要用不規(guī)則的節(jié)理形態(tài)來擬合。模擬者必須決定用UDEC模擬實際節(jié)理模式的水平。幾何的不規(guī)則對節(jié)理的影響也可以通過節(jié)理材料模型性質(zhì)（即變化節(jié)理面的性質(zhì)參數(shù)）加以考慮。如上所述，模型邊界必須具有足夠的遠，以致模型對邊界不產(chǎn)生影響。第3.4節(jié)論述了邊界的影響結果。一般地，對于單一地下開挖工程，邊界離開挖邊界的距離應當大于開挖跨度的5倍左右。然而，合適的距離取決于分析的目的。如果分析目的主要用于考慮破壞，然而，模型邊界可以靠近一些。如果關注的是位移（變形），則距離邊界的距離需要增加。借助于經(jīng)驗估計邊界對模型的影響是重要的。從一個粗糙的模型和矩形邊界開始，分別研究固定邊界和自由邊界條件研究改變邊界的距離的影響?？疾旄信d趣的模型區(qū)域內(nèi)的應力或位移，隨邊界距離變化所發(fā)生的變化，來評價邊界對結果的影響。參見第3.4節(jié)所給出的邊界影響研究實例。一旦完成塊體切割和確定模型的邊界位置，下一步就是考慮應采用塊體單元的大小與網(wǎng)格密度。較密的網(wǎng)格單元應當處在高應力區(qū)或高梯度變形區(qū)（即在開挖區(qū)附近）。為了高精度，單元形狀尺寸之比（即三角邊與高之比）也應盡可能接近于1。對于5:1的情況可能是不精確的。同時建議相鄰塊體單元的大小不應有較大的突變。合理的精度是相鄰兩單元面積之比不應當超過4:1。3.2.2產(chǎn)生節(jié)理UDEC提供了兩個節(jié)理生成器：一個統(tǒng)計節(jié)理生成器，由傳統(tǒng)的巖石力學參數(shù)所定義的參數(shù)產(chǎn)生節(jié)理；另一個是Voronoi分塊式節(jié)理生成器，用于產(chǎn)生隨機尺寸的多邊形塊體。統(tǒng)計節(jié)理生成器是采用JSET命令和巖體不連續(xù)面的幾何參數(shù)統(tǒng)計特征值。Voronoi生成器是采用VORONOI命令和劃分塊體為隨機大小和形狀的子塊。該生成器將在下節(jié)加以描述。3.2.2.1統(tǒng)計節(jié)理組生成器JSET節(jié)理生成器是根據(jù)所選定的統(tǒng)計參數(shù)生成節(jié)理模式?；谶@樣的節(jié)理模式，特殊的幾何參數(shù)對力學特性產(chǎn)生的影響可以進行定量描述。同時，在獲得現(xiàn)場觀測的節(jié)理模式情況下，采用人工模式與觀測模式相匹配方法決定生成的參數(shù)。一個節(jié)理組可以通過8個生成參數(shù)表述：4個幾何參數(shù)的均值和4個隨機參數(shù)的均方差。由JSET命令給出的參數(shù)如下：JSET在此，－節(jié)理與x軸的夾角；－節(jié)理段跡線長度；－兩節(jié)理段間的長度（即巖橋長度）；－垂直于節(jié)理跡線的間距。對于上述的每一對值，前一個帶有下標的是均值；第二個帶有下標的是均方差。圖3.2給出了參數(shù)的說明。圖3.2節(jié)理組參數(shù)最后的三個參數(shù)是選擇參數(shù)：－節(jié)理起始坐標（整體坐標軸）。節(jié)理將從點（）開始產(chǎn)生節(jié)理，將充滿由選擇參數(shù)range所定義的整個范圍。－所有節(jié)理與所給定的節(jié)理跡線方向的偏差。通過定義的一個限制區(qū)域（range），生成的節(jié)理能夠限制在所選擇的模型區(qū)域。見理論與背景第1.1.3節(jié)中的range關鍵詞的描述。在大部分情況下，通過jregionn關鍵詞定義各種區(qū)域，在此n是指定JREGION命令的參考序號id。JREGION定義了一個凸多邊形區(qū)域來限制節(jié)理組的生成范圍。該命令參數(shù)如下：JREGIONidnx1y1x2y2x3y3x4y4<delete>每一個節(jié)理區(qū)域是通過id序號識別。區(qū)域的坐標按順時針方向定義了節(jié)理產(chǎn)生的邊界。如果給出選擇的關鍵詞delete，在此之前由JSET、VORONOI或CRACK命令生成的節(jié)理將全部被刪除。這可避免當指定