UDEC中文指導(dǎo)說(shuō)明

PAGE－PAGE98－通用離散元用戶指導(dǎo)（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(yīng)用領(lǐng)域 32開始啟動(dòng) 42.1安裝和啟動(dòng)程序 42.1.7內(nèi)存賦值 42.1.9運(yùn)行UDEC 52.1.10安裝測(cè)試程序 52.2簡(jiǎn)單演示－通用命令的應(yīng)用 52.3概念與術(shù)語(yǔ) 62.4UDEC模型：初始?jí)K體的劃分 82.5命令語(yǔ)法 92.6UDEC應(yīng)用基礎(chǔ) 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(jìn)行改變和分析 242.6.6保存或恢復(fù)計(jì)算狀態(tài) 252.6.7簡(jiǎn)單分析的總結(jié) 252.8系統(tǒng)單位 263用UDEC求解問(wèn)題 273.1一般性研究 273.1.1第1步：定義分析模型的對(duì)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(yùn)行簡(jiǎn)單的理想模型 283.1.4第4步：綜合特定問(wèn)題的數(shù)據(jù) 293.1.5第5步：準(zhǔn)備一系列詳細(xì)的運(yùn)行模型 293.1.6第6步：進(jìn)行模型計(jì)算 293.1.7第7步：提供結(jié)果和解釋 303.2產(chǎn)生模型 303.2.1確定UDEC模型合適的計(jì)算范圍 303.2.2產(chǎn)生節(jié)理 323.2.2.1統(tǒng)計(jì)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(yīng)力邊界 423.4.1.1施加應(yīng)力梯度 433.4.1.2改變邊界應(yīng)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(shí)邊界－選擇合理類型 463.4.4人工邊界 463.4.4.1對(duì)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(yīng)力：無(wú)重力 503.5.2無(wú)節(jié)理介質(zhì)中具有梯度變化的應(yīng)力：均勻材料 513.5.3無(wú)節(jié)理介質(zhì)中具有梯度變化的應(yīng)力：非均勻材料 513.5.4具有非均勻單元的密實(shí)模型 523.5.5隨模型變化的初始應(yīng)力 533.5.6節(jié)理化介質(zhì)的應(yīng)力 543.5.7繪制應(yīng)力等值線圖 553.6加載與施工模擬 573.7選擇本構(gòu)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(qiáng)度性質(zhì) 723.8.1.4峰后效應(yīng) 733.8.1.5現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)模型 813.9.3檢查模型運(yùn)行時(shí)間 823.9.4對(duì)允許時(shí)間的影響 823.9.5單元密度的考慮 833.9.6檢查模型響應(yīng) 833.9.7檢查塊體接觸 833.9.8應(yīng)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(jié)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(jié)點(diǎn)的速度 883.10.3塊體破壞的塑性指標(biāo) 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(yīng)力路徑 911引言1.1總論通用離散元程序（UDEC，UniversalDistinctElementCode）是一個(gè)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(dòng)載作用下的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)是通過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個(gè)單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的“應(yīng)力－應(yīng)變”準(zhǔn)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(duì)運(yùn)動(dòng)也由線性或非線性“力－位移”的關(guān)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(lái)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(qiáng)大的程序語(yǔ)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(kuò)展UDEC的應(yīng)用功能。FISH函數(shù)為簡(jiǎn)化分析，適應(yīng)特殊要求的UDEC的用戶，提供了一個(gè)強(qiáng)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(guò)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(jī)上開發(fā)了UDEC工程計(jì)算應(yīng)用程序。該軟件為建立數(shù)以千塊模型的高速計(jì)算而設(shè)計(jì)?；诟↑c(diǎn)運(yùn)算速度的優(yōu)勢(shì)和低成本的內(nèi)置RAM，用UDEC程序可大大地提高了計(jì)算大規(guī)模問(wèn)題的能力。例如，在具有4MBRAM的微機(jī)上，UDEC能夠求解2500個(gè)剛體（或1000個(gè)具有8個(gè)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(jì)算速度是與模型的塊體數(shù)量成線性關(guān)系。對(duì)于典型的模型，約1500個(gè)剛體（或500個(gè)變形體）或更少，在UDEC中采用的顯式解法，大約需要2000～4000計(jì)算步可以獲得問(wèn)題的解。例如，一個(gè)500個(gè)變形塊體的模型，計(jì)算4000步大約需要6min。因此，典型的工程問(wèn)題用UDEC計(jì)算僅需幾十分鐘或幾個(gè)小時(shí)。UDEC是一個(gè)命令驅(qū)動(dòng)（而不是菜單驅(qū)動(dòng)）的計(jì)算程序。盡管菜單驅(qū)動(dòng)程序易于初次學(xué)習(xí)，但在UDEC中所提供的命令驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、輸入的“語(yǔ)言”是基于可識(shí)別的文字命令，使你易于識(shí)別每一個(gè)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(gòu)成――即，構(gòu)造原巖應(yīng)力，施加作用的荷載、開挖隧道、安裝支護(hù)等。一系列（從文件或鍵盤上）輸入命令完全對(duì)應(yīng)于實(shí)際的施工順序。3、根據(jù)文本編輯器，很容易對(duì)UDEC數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編輯和修改。幾個(gè)數(shù)據(jù)文件能相互連接，進(jìn)行多個(gè)問(wèn)題求解，這對(duì)于進(jìn)行參數(shù)的靈敏度分析是十分有用的。4、命令驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)?？刹捎肍ISH程序語(yǔ)言，并插入到輸入的文件中，使計(jì)算很容易實(shí)現(xiàn)。1.2與其他方法的比較對(duì)于UDEC程序，一個(gè)共同的問(wèn)題是，UDEC是一個(gè)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(guān)系？為回答上述問(wèn)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(wèn)題中的不連續(xù)面，擴(kuò)大程序的應(yīng)用范圍。然而，他們的公式在一個(gè)或多個(gè)方面通常受到限制：首先，當(dāng)考慮很多相互切割的節(jié)理就可能打亂系統(tǒng)的邏輯關(guān)系；其次，不可能自動(dòng)識(shí)別新的接觸面進(jìn)行自動(dòng)考慮；第三，計(jì)算公式可能有小位移和無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)條件限制，所以通常適用連續(xù)介質(zhì)的程序。術(shù)語(yǔ)“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(zhuǎn)動(dòng)，包括完全脫離；（b）在計(jì)算過(guò)程中，自動(dòng)識(shí)別新的接觸面。在不連續(xù)介質(zhì)中，如果沒(méi)有第一個(gè)屬性，程序不可能產(chǎn)生某些重要的機(jī)理。如果沒(méi)有第二個(gè)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(shí)間域的初始運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)程序主要有以下四類：1、DistinctElementPrograms－該類程序采用顯式時(shí)間步直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程的求解。塊體可以是剛體或變形體（通過(guò)細(xì)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(duì)于變形體采用模型疊加技術(shù)。3、DiscontinuousDeformationAnalysis－接觸是剛體，塊體可以是剛體或變形體。通過(guò)迭代算法可以獲得非嵌入條件；塊體變形性基于應(yīng)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(shí)碰撞的過(guò)程中慣性矩發(fā)生交換，可以表征滑動(dòng)和摩擦特性。1.3一般特性UDEC主要用于巖石邊坡的漸進(jìn)破壞研究及評(píng)價(jià)巖體的節(jié)理、裂隙、斷層、層面對(duì)地下工程和巖石基礎(chǔ)的影響。UDEC對(duì)研究不連續(xù)特征的潛在破壞模型是十分理想的工具。當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)特征明顯且易于明確描述的情況適宜使用該程序進(jìn)行分析。UDEC開發(fā)了人工或自動(dòng)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(shí)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(jìn)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(jié)力、張拉強(qiáng)度和剪脹特性的庫(kù)侖滑動(dòng)準(zhǔn)則。對(duì)該模型的改進(jìn)包括隨著位移的發(fā)展而粘結(jié)力和張拉強(qiáng)度的降低弱化。在此還可獲得一個(gè)比較復(fù)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(gè)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(yīng)當(dāng)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(guò)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(duì)于變形塊體，開發(fā)了包括用于開挖模擬的空模型（null）、應(yīng)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(lái)模擬回填、土體介質(zhì)以及完整巖石。UDEC的基本公式假設(shè)為二維平面應(yīng)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(wú)限長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。所以，非連續(xù)面也被假設(shè)為平面特性。另外，UDEC提供了一個(gè)平面應(yīng)力問(wèn)題的選擇。對(duì)于平面應(yīng)變分析，如果在垂直于平面方向的應(yīng)力，為最大或最小主應(yīng)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(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)分析。對(duì)于動(dòng)態(tài)計(jì)算，用戶指定的速度或應(yīng)力波可作為外部的邊界條件或者內(nèi)部激勵(lì)直接輸入到模型中。一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)波型庫(kù)也可以獲取。UDEC為動(dòng)力分析設(shè)計(jì)了自由邊界條件。在靜態(tài)分析中，包括了應(yīng)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(shí)，在UDEC中還可以獲得邊界元邊界，用于模擬無(wú)限彈性邊界。也可以獲得半平面解用來(lái)描述自由面效應(yīng)。UDEC還能夠模擬通過(guò)模型中的孔隙和不連續(xù)面的流體流動(dòng)。在此認(rèn)為塊體是不可滲透的。巖體的滲透率取決于節(jié)理的力學(xué)變形。也能夠進(jìn)行力學(xué)－流體全耦合分析。反過(guò)來(lái)，節(jié)理水壓也將影響力學(xué)特性。流體被處理為平行板的粘性流。程序中的結(jié)構(gòu)單元可用于模擬巖體加固和工程表面支護(hù)。加固包括端部錨固、全長(zhǎng)錨索和錨桿。表面支護(hù)模擬諸如噴射混凝土、混凝土襯砌和其他形式的隧道支護(hù)。UDEC包含一個(gè)強(qiáng)有力的程序語(yǔ)言，F(xiàn)ISH，能夠使用戶定義新的變量和函數(shù)。FISH是一個(gè)編輯器。通過(guò)UDEC數(shù)據(jù)文件進(jìn)入程序被翻譯并儲(chǔ)存在內(nèi)存中。1.4應(yīng)用領(lǐng)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(duì)于塊體不連續(xù)公式和運(yùn)動(dòng)方程（包括慣性項(xiàng)）采用顯式時(shí)間步求解方法？？？，便于塊狀巖體邊坡的漸進(jìn)破壞分析和大變形運(yùn)動(dòng)研究。UDEC常用于采礦工程，已經(jīng)進(jìn)行了深部地下采礦洞室的靜態(tài)與動(dòng)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(shí)例之一。通過(guò)在模型的邊界施加動(dòng)應(yīng)力或速度波研究爆破影響。地震誘發(fā)的斷層滑移也通過(guò)采用連續(xù)屈服節(jié)理模型進(jìn)行了研究。結(jié)構(gòu)單元已經(jīng)用于模擬全長(zhǎng)巖錨和噴射混凝土的各種巖體加固系統(tǒng)。UDEC還應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)和深部高輻射廢料的儲(chǔ)存研究領(lǐng)域。通過(guò)應(yīng)用熱模型，UDEC已經(jīng)應(yīng)用于模擬與核廢料相關(guān)的熱荷載效應(yīng)。UDEC在作為一個(gè)計(jì)算設(shè)計(jì)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(yīng)的潛在破壞機(jī)理。節(jié)理巖體特性是一個(gè)“有限數(shù)據(jù)系統(tǒng)”－即，在很大程度上內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)是未知和不可知的。因此，建立一個(gè)完備的節(jié)理模型是不可能的。而且，UDEC是一個(gè)二維程序，除了特殊情況外，不可能表征具有三維結(jié)構(gòu)的節(jié)理模型。不過(guò)，應(yīng)用UDEC程序，可以從現(xiàn)象學(xué)的角度研究節(jié)理巖體地下工程開挖響應(yīng)。該方法可加深巖石力學(xué)設(shè)計(jì)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(guò)識(shí)別地下工程可能產(chǎn)生不可接受的變形或加載導(dǎo)致的破壞機(jī)理，從而揭示工程所潛在的諸多問(wèn)題。值得注意的是，UDEC程序?qū)τ谀M顆粒流動(dòng)或動(dòng)態(tài)分析火山噴發(fā)是不適宜的。對(duì)于該類研究，可以采用PFC2D程序。2開始啟動(dòng)2.1安裝和啟動(dòng)程序本節(jié)為首次使用UDEC的用戶提供指導(dǎo)。如果你熟悉該程序僅僅是偶爾使用，你會(huì)發(fā)現(xiàn)本節(jié)尤其是2.6節(jié)對(duì)于改變你原有印象是有幫助的。UDEC程序共有65個(gè)主命令，有接近400個(gè)關(guān)鍵詞。2.1.7內(nèi)存賦值UDEC自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)存大小達(dá)到8MB?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)應(yīng)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(guān)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(shè)每塊體8個(gè)自由度。塊體最大數(shù)隨自由度的增加而減少。2.1.9運(yùn)行UDECcallfile.dat2.1.10安裝測(cè)試程序有三個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)文件，test1.dat、test2.dat、test3.dat用于程序測(cè)試。2.2簡(jiǎn)單演示－通用命令的應(yīng)用Block(0,0)(0,20)(20,20)(20,0);產(chǎn)生一個(gè)塊體plotblock;顯示該塊體劃分初始?jí)K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(dòng)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(dāng)前速度（即為零）。然后塊體和節(jié)理所需的材料性質(zhì)通過(guò)性質(zhì)號(hào)予以賦值，即propmat=1dens=2000propjmat=1jkn=1.33e7jks=1.33e7jfric=20.0對(duì)于該問(wèn)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(huì)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(guò)如下命令予以賦值：setgravity0，-10.0為了吸收振動(dòng)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(shí)際上并不需要。我們?cè)诖藘H僅是強(qiáng)調(diào)這是靜態(tài)分析。對(duì)于該點(diǎn)，問(wèn)題很容易被執(zhí)行。正如在后面能看到的，通過(guò)觀測(cè)特定點(diǎn)的巖體運(yùn)動(dòng)有助于進(jìn)行工程特性判斷。在該問(wèn)題中，我們監(jiān)測(cè)模型右角點(diǎn)y方向的速度，記錄該運(yùn)動(dòng)所采用的命令是：histyvel(20,20)type1關(guān)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(jì)算過(guò)程中，當(dāng)前的循環(huán)數(shù)，計(jì)算時(shí)間、最大不平衡力，在點(diǎn)（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(guò)最左邊的塊體來(lái)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(shí)，采用Step或cycle命令繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。Cycle1000Plotblockvelocity2.3概念與術(shù)語(yǔ)UDEC所涉及的一些術(shù)語(yǔ)大部分與其他應(yīng)力分析程序類似。在UDEC模型中采用一些特殊的術(shù)語(yǔ)來(lái)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(shù)語(yǔ)定義。UDECMODEL－UDEC模型：是用戶為模擬實(shí)際的物理模型建立的。當(dāng)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(jì)算的基本單元體。通過(guò)切割一個(gè)塊體成多個(gè)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(guò)界面力與其他塊體相互作用的獨(dú)立塊體。CONTACT－接觸：每一塊體通過(guò)點(diǎn)接觸與相鄰塊體連接。接觸可以認(rèn)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(shí)體。每一個(gè)DOMAIN是由兩個(gè)或多個(gè)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(gè)單元組成的變形塊體。在每一單元計(jì)算力學(xué)變化和溫度變化。在UDEC采用三角單元。GRIDPOINT－結(jié)點(diǎn)（或節(jié)點(diǎn)）：節(jié)點(diǎn)包括有限單元的角點(diǎn)。每一單元涉及三個(gè)節(jié)點(diǎn)。一對(duì)x和y坐標(biāo)定義每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此確定了有限單元的精確位置。另一節(jié)點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)是node。MODELBOUDARY–模型的邊界：是一個(gè)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(guò)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(duì)于力學(xué)問(wèn)題固定位移或外力）。INITIALCONDITION－初始條件：模型受擾動(dòng)（開挖）或加載（支護(hù)）前的原巖應(yīng)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(lái)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(fù)）。STRUCTURALELEMENT－結(jié)構(gòu)單元：用來(lái)表征結(jié)構(gòu)（如隧道襯砌、錨桿和錨索）與巖體的相互作用的一維單元。結(jié)構(gòu)單元也可以具有材料非線性。在大應(yīng)變模型中可以出現(xiàn)幾何非線性。STEP－求解（或迭代）：盡管一個(gè)大的問(wèn)題需要上萬(wàn)次計(jì)算才能達(dá)到穩(wěn)定解，但一般典型問(wèn)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(dāng)模型中動(dòng)能的變化速率接近可以忽略的情況時(shí)，UDEC就認(rèn)為達(dá)到了靜態(tài)或擬靜態(tài)解。UNBALANCEDFORCE－不平衡力：表示當(dāng)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(dòng)或塑性流動(dòng)）。DYNAMICSOLUTION－動(dòng)力解：盡管系統(tǒng)的缺省為靜態(tài)求解過(guò)程，但可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。對(duì)于動(dòng)態(tài)分析，全運(yùn)動(dòng)方程（包括慣性項(xiàng)）可被求解。動(dòng)能的消耗產(chǎn)生直接影響。2.4UDEC模型：初始?jí)K體的劃分UDEC模型首先生成整個(gè)計(jì)算范圍的單一塊體。然后，通過(guò)用地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征（如斷層、節(jié)理裂隙等）和工程結(jié)構(gòu)（如地下洞室與隧道等）作為邊界，切割該塊體成小的塊體來(lái)考慮模型特征。模型的所有塊體都是通過(guò)塊體質(zhì)心和角點(diǎn)的坐標(biāo)（x和y）確定。塊體接觸面以及變形塊體的節(jié)點(diǎn)也通過(guò)他們的坐標(biāo)位置確定。產(chǎn)生模型包括由端點(diǎn)坐標(biāo)（x，y坐標(biāo)）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(diǎn)、接觸面、空區(qū)、節(jié)點(diǎn)和單元）都是通過(guò)位于主數(shù)組中的地址編號(hào)，由UDEC自動(dòng)的、唯一識(shí)別和確定。這些編碼號(hào)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(guò)繪圖或打印加以識(shí)別。例如，圖2.7說(shuō)明一個(gè)UDEC模型塊體在x和y方向皆為10個(gè)單位（比如10m）。模型通過(guò)一水平不連續(xù)面（x=0,y=5tox=10,y=5）劃分成兩個(gè)塊體。這兩個(gè)塊體具有編號(hào)為2和118。塊體通過(guò)位于塊體角點(diǎn)之間的接觸面連接。接觸號(hào)是223和260。內(nèi)部區(qū)域由兩個(gè)接觸面產(chǎn)生并由內(nèi)部區(qū)域號(hào)297所識(shí)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(guò)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(gè)單元和下部塊體劃分為4個(gè)單元的單元號(hào)。在兩塊體間產(chǎn)生了一個(gè)新的接觸面（序號(hào)為606）。位于塊體棱上的任何節(jié)點(diǎn)總會(huì)產(chǎn)生。新的接觸606對(duì)應(yīng)于上部塊體的棱產(chǎn)生的新的角點(diǎn)。Genquad11,6range0,100,5Genquad10Plotholdzonenumcontnum圖2.7UDEC模型塊體被劃分成兩個(gè)剛體圖2.8包含兩個(gè)變形塊體的UDEC模型2.5命令語(yǔ)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(gè)或多個(gè)關(guān)鍵詞或值構(gòu)成。某些命令接受開關(guān)，即關(guān)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(guān)鍵詞僅前面幾個(gè)字母為黑體。實(shí)際輸入時(shí)僅輸入這些黑體字母就可由系統(tǒng)識(shí)別。2.6UDEC應(yīng)用基礎(chǔ)UDEC是基于命令驅(qū)動(dòng)格式。命令單詞控制程序的運(yùn)行。本節(jié)將提供給新用戶一些基本命令。為了建立一個(gè)UDEC模型進(jìn)行模擬，必須考慮計(jì)算問(wèn)題的基本成分：（1）由切割產(chǎn)生幾何問(wèn)題，由此建立離散單元塊體模型；（2）本構(gòu)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(wèn)題的幾何體。本構(gòu)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(xué)響應(yīng)。邊界條件和初始應(yīng)力定義了原巖狀態(tài)，即在未受到擾動(dòng)（開挖、支護(hù)、爆破等）前的應(yīng)力和位移狀態(tài)。在UDEC中定義了這些條件后，可以進(jìn)行改變（即開挖材料或改變邊界條件），從而計(jì)算產(chǎn)生模型響應(yīng)。像UDEC一類顯式求解技術(shù)所獲得問(wèn)題的實(shí)際解與傳統(tǒng)的隱式求解方法的結(jié)果有所不同。UDEC采用的是顯式時(shí)間步求解代數(shù)方程，其解是在一系列計(jì)算迭代后才獲得。在UDEC中計(jì)算迭代步數(shù)可以通過(guò)用戶控制。用戶必須確定所進(jìn)行的求解迭代步數(shù)是否達(dá)到了實(shí)際問(wèn)題的解。圖2.9給出了采用UDCE進(jìn)行靜態(tài)分析的求解一般過(guò)程。由于這求解程序符合實(shí)際物理模型的生產(chǎn)工序和實(shí)際條件，因此其計(jì)算過(guò)程是方便的。采用上述過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)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(guò)切割初始的UDEC塊體成小的塊體代表模型的實(shí)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(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)。角點(diǎn)必須按順時(shí)針?lè)较蚺帕?。角點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與物理模型的邊界條件一致。塊體有很多角點(diǎn)，但通常從4角點(diǎn)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(diǎn)上。由于塊體懸掛引起應(yīng)力集中。然而，圓角值存在與模型有關(guān)的上限值。對(duì)于變形塊體，最大圓角長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)不超過(guò)塊體平均棱長(zhǎng)的1％。圓角長(zhǎng)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(zhǎng)度都是相同的。建議在block命令前指定圓角長(zhǎng)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(jì)算模型的幾何體；（2）定義本構(gòu)模型和材料參數(shù)；（3）指定邊界條件和初始條件。迭代計(jì)算使之平衡（模擬未擾動(dòng)前狀態(tài)）進(jìn)行變化分析例如：地下開挖改變邊界條件迭代計(jì)算檢查模型響應(yīng)檢查模型響應(yīng)重復(fù)其他變化進(jìn)行響應(yīng)分析圖2.9靜態(tài)分析的一般過(guò)程UDEC有幾個(gè)命令用于產(chǎn)生計(jì)算模型的幾何體。生成地質(zhì)結(jié)構(gòu)（即節(jié)理）的兩個(gè)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(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1）和（x2，y2）所確定。Jset命令則是自動(dòng)節(jié)理組生成器。根據(jù)所給定的特征參數(shù)（即傾角、跡長(zhǎng)、巖橋長(zhǎng)度、間距和空間位置）產(chǎn)生一組裂縫。Crack和Jset兩個(gè)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(gè)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(chǔ)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(jì)算過(guò)程中，或變形塊體在單元?jiǎng)澐謺r(shí)，沒(méi)有連接形成完整塊體的裂縫將被刪除。下面的例子說(shuō)明用Crack和Jset命令切割塊體。這兩個(gè)命令的詳細(xì)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(xì)解釋。Example2.4產(chǎn)生簡(jiǎn)單的UDEC模型round0.1block(0,0)(0,10)(10,10)(10,0)Crack(0,5)(10,5)在這個(gè)最簡(jiǎn)單的模型中，切割塊體涉及選擇位置和指定裂縫。通過(guò)鍵入這些命令，就可以產(chǎn)生10×10個(gè)單位的塊體，然后劈裂成兩個(gè)塊體。CRACK命令產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)、水平的貫通模型的裂縫。注意圓角的長(zhǎng)度指定為0.1。通過(guò)鍵入如下命令，可以產(chǎn)生一個(gè)槽口：crack2.5,105.0,7.5crack5.0,7.57.5,10通過(guò)鍵入以下命令，就顯示出包括塊體地址號(hào)的塊體圖形。Plotblocknum通過(guò)采用DELETE命令，能從模型中刪除一個(gè)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(dāng)對(duì)模型進(jìn)行某些操作時(shí)，采用坐標(biāo)范圍是比較明智的。與問(wèn)題相關(guān)的地址號(hào)有時(shí)發(fā)生變化。對(duì)于JSET命令的參數(shù)需要4組數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)值。每一數(shù)據(jù)對(duì)中的第一個(gè)值是均值，而第二個(gè)是對(duì)應(yīng)于均值的最大均方差（相對(duì)于均勻概率分布形式）。第一組數(shù)據(jù)對(duì)是節(jié)理跡線與x-坐標(biāo)軸的正方向的夾角。第二對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)理跡線長(zhǎng)度；第三組數(shù)據(jù)是不連續(xù)節(jié)理的巖橋長(zhǎng)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(fù)雜的節(jié)理模式。JSET命令的一般應(yīng)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(yīng)用在例2.5中得到說(shuō)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(gè)JSET命令產(chǎn)生一組與x軸方向夾角為45o具有間距為2個(gè)單位的連續(xù)節(jié)理。第二個(gè)JSET命令產(chǎn)生與x方向夾角為-10o、間距為1.5個(gè)單位的連續(xù)節(jié)理。圓角長(zhǎng)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(dāng)棱長(zhǎng)小于2倍的圓角長(zhǎng)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(zhǎng)度（比如說(shuō)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(cuò)法。第3節(jié)給出了進(jìn)行產(chǎn)生節(jié)理過(guò)程的建議。圖2.11產(chǎn)生的兩組連續(xù)節(jié)理模型當(dāng)產(chǎn)生大小懸殊的塊體時(shí)，建議從模型中刪除較小塊體，以提高模型的計(jì)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(duì)計(jì)算結(jié)果的影響并不顯著。最后，注意到NEW命令用在第二個(gè)例子，以便允許開始一個(gè)新的模型。當(dāng)切割塊體（尤其當(dāng)采用JSET）時(shí)，一個(gè)重要問(wèn)題是綜合考慮塊體數(shù)與計(jì)算速度的協(xié)調(diào)。計(jì)算速度與模型的塊體數(shù)（或變形體單元數(shù)）成函數(shù)關(guān)系。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模型具有大約1200剛體（或具有8自由度的500變形體）進(jìn)行2000～4000迭代步就能獲得靜態(tài)問(wèn)題的解。對(duì)于90MHz的微機(jī)，對(duì)于500個(gè)變形塊體模型允許4000步大約需要10分鐘。根據(jù)你的計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，可以估算出一個(gè)模型所需的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)切割UDEC塊體形成工程結(jié)構(gòu)形狀，這須在進(jìn)行工程開挖前實(shí)施。通常采用三個(gè)命令來(lái)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(gòu)成。ARC命令由用戶指定的角度，產(chǎn)生弧形斷裂模型。可以結(jié)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(gè)圓形隧道的模型。EXAMPLE2.6斷層切割一個(gè)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(biāo)（0,0）、半徑為2和劃分成16個(gè)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(dú)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(yùn)行僅用TUNNEL命令所產(chǎn)生的模型，則隧道裂縫在運(yùn)行前被刪除。通過(guò)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(gòu)成的塊體（如圖2.12所示）。應(yīng)當(dāng)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(yīng)用TUNNEL是較為方便的，因?yàn)樗淼篱_挖僅涉及刪除一個(gè)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(gè)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(diǎn)在（2，5）和180o的圓心角，逆時(shí)針畫圓，劃分成8段。前三個(gè)CRACK命令產(chǎn)生隧道的邊墻和底板，后一個(gè)CRACK產(chǎn)生一條切割隧道的斷層。開挖隧道也可以通過(guò)刪除塊體編號(hào)或塊體形心位置來(lái)實(shí)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(shí)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(duì)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(yīng)為變形體。僅僅在應(yīng)力水平較低或巖塊材料具有高強(qiáng)度和低變形的情況才能夠應(yīng)用剛性塊體的假設(shè)。塊體的變形特征通過(guò)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(dòng)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(zhǎng)，即v值越小，塊體中的單元越小。應(yīng)當(dāng)注意的是：具有高的邊長(zhǎng)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(guò)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(duì)于塑性問(wèn)題的精確解。然而，GENquad命令可能對(duì)某些形狀的塊體不起作用。在此情況下，應(yīng)當(dāng)采用GENedge。在UDEC中為變形塊體（單元）開發(fā)了7種材料模型。對(duì)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(jì)算階段不可再恢復(fù)。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(kù)侖模型，考慮塑性特性。缺省值為所有變形體則自動(dòng)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(hào)。材料參數(shù)可以賦值給多達(dá)50種材料號(hào)。然后，材料號(hào)再賦給具有CHANGEmat命令的塊體。對(duì)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(guān)系如下：，或，對(duì)于摩爾－庫(kù)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(qiáng)度如果上述參數(shù)沒(méi)有賦值，系統(tǒng)自動(dòng)賦零值。對(duì)于UDEC程序，對(duì)于上述兩個(gè)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(yīng)對(duì)模型中的所有不連續(xù)面（即接觸面）賦予材料模型。對(duì)于不連續(xù)面，有四種本構(gòu)模型。在UDEC中開發(fā)了四種節(jié)理本構(gòu)模型。但對(duì)于大部分模型分析，最適宜的模型有庫(kù)侖滑動(dòng)模型（完全彈塑性），可通過(guò)如下模量賦予不連續(xù)結(jié)構(gòu)面：changejcons=2所有不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的缺省模型是Jcons=2。節(jié)理材料模型也是通過(guò)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(hào)。材料號(hào)是通過(guò)CHANGEmat命令賦給節(jié)理。對(duì)于庫(kù)侖滑動(dòng)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(qiáng)度如果所有的參數(shù)沒(méi)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(yīng)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(zhǎng)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(guò)PROPmat=1賦值。50o的節(jié)理組是通過(guò)性質(zhì)參數(shù)號(hào)2賦值。70o的斷層參數(shù)是由材料參數(shù)號(hào)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(hào)1，這意味著將具有高粘聚力和抗拉強(qiáng)度的粘結(jié)效應(yīng)。這些不連續(xù)面是“虛擬的”節(jié)理和對(duì)應(yīng)于后來(lái)將隧道開挖。虛擬節(jié)理不發(fā)生滑動(dòng)或張開。可用以下命令檢查材料號(hào)。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(gòu)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?jiǎng)澐种?，?yīng)施加邊界條件和初始條件。施加力學(xué)邊界條件通常采用BOUNDARY命令。該命令用來(lái)指定力、應(yīng)力和速度（位移）邊界條件。邊界力和應(yīng)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(jiàn)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(jié)和效果。BOUNDARYxload和yload命令施加x-和y-方向的分力到邊界角點(diǎn)。BOUNDARYstress施加應(yīng)力張量到邊界上。BOUNDARYxvel和yvel在選擇的邊界結(jié)點(diǎn)施加x-和y-方向的速度。注意的是：應(yīng)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(jié)命令效果BOUNDARYStress施加總應(yīng)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(yīng)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(yīng)力和剪切應(yīng)力。INSITU命令用來(lái)初始化應(yīng)力。采用該命令，可以賦值初始應(yīng)力。邊界的初始條件應(yīng)用于例題2.8，其命令應(yīng)用見(jiàn)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(yīng)力被作用到模型的左、右邊界的x方向上。5MPa的壓應(yīng)力（負(fù)號(hào)為壓）被施加到上部邊界的y方向。底部邊界的y方向的運(yùn)動(dòng)被固定。固定邊界的位移對(duì)于考慮重力的情況下是尤其重要的。注意：應(yīng)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(yīng)當(dāng)施加應(yīng)力邊界條件，否則，所指定的速度約束將不起作用。而且，四個(gè)BOUND命令的每一個(gè)都應(yīng)給出x和y的坐標(biāo)范圍。應(yīng)當(dāng)提醒的是為了確保通過(guò)BOUND命令所產(chǎn)生的響應(yīng)完全位于指定的范圍。鍵入如下命令：Printbound和PlotboundxcondPlotboundycond來(lái)檢查邊界條件。命令I(lǐng)NSITU在x方向始化所有的應(yīng)力為-10MPa和在y方向初始化應(yīng)力為-5MPa。在平面之外的z方向也給予初值=-4.8MPa。對(duì)于彈性塊體分析，z方向的應(yīng)力未初始化并不影響平面應(yīng)變問(wèn)題的解。然而，對(duì)于塑性分析，z方向的應(yīng)力可能影響到破壞狀態(tài)，因此，應(yīng)當(dāng)慎重選擇的應(yīng)力初始化。2.6.4迭代為初始平衡UDEC模型在進(jìn)行開挖模擬前必須進(jìn)行初始狀態(tài)的平衡計(jì)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(duì)于復(fù)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(jìn)行計(jì)算獲得平衡是十分必要的。其計(jì)算可采用STEP（或CYCLE或SOLVE）命令。借助于STEP命令，為達(dá)到模型的平衡，用戶指定循環(huán)步進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)每一剛體形心的結(jié)點(diǎn)力或變形體的結(jié)點(diǎn)力接近零，模型就處于平衡狀態(tài)。當(dāng)激活STEP命令后，最大的結(jié)點(diǎn)力矢量（稱之為不平衡力）由UDEC進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在屏幕上顯示。在此用戶能夠估計(jì)模型何時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。對(duì)于任何模型的數(shù)值分析，不平衡力不可能完全達(dá)到零。但當(dāng)最大的結(jié)點(diǎn)不平衡力與初始所施加的總的力比較相對(duì)較小時(shí)，就可認(rèn)為模型達(dá)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(shí)（最大不平衡力與初始的不平衡力之比為0.01％），則認(rèn)為模型達(dá)到平衡。采用UDEC進(jìn)行數(shù)值分析判斷模型平衡是一個(gè)重要的問(wèn)題。用戶必須確定模型在何時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)（即問(wèn)題的解）。在UDEC中設(shè)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(jié)點(diǎn)的速度或位移），命令如下：histxvel5,5histydisp0,11第一個(gè)是記錄位移坐標(biāo)（x=5,y=5）附近結(jié)點(diǎn)x方向的速度，而第二個(gè)是記錄接近坐標(biāo)（x=0,y=11）位置處y方向的位移。在進(jìn)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(yīng)力場(chǎng)和重力作用。重力是用以下命令：setgrav0.0,-9.81第一個(gè)是x方向的加速度，第二個(gè)值為y方向的加速度為9.81m/sec2（向下作用）。當(dāng)考慮重力所引起的應(yīng)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(shí)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(yīng)力變化小于0.5MPa，相對(duì)于10MPa的原巖應(yīng)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(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)重力應(yīng)力與原巖應(yīng)力具有相同的量級(jí)，則用INSITU命令施加應(yīng)力梯度（應(yīng)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(jìn)行700步后，降至約為10N。通過(guò)繪制兩個(gè)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(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的力略有差異，這與圓形角點(diǎn)有關(guān)。圓形在塊體角點(diǎn)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(shè)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(duì)于這個(gè)問(wèn)題，初始x發(fā)現(xiàn)和y方向的應(yīng)力分量是相同的，因此，模型中的節(jié)理不能滑動(dòng)，這可以用以下命令加以驗(yàn)證：Plotbouslip所顯示的圖形是由模型外邊界和滿足庫(kù)侖滑動(dòng)準(zhǔn)則的節(jié)理組成。對(duì)于選擇的模型條件，有可能出現(xiàn)在原巖應(yīng)力狀態(tài)下節(jié)理發(fā)生滑動(dòng)。例如，改變水平應(yīng)力分量到-5MPa并回到例2.10。則斷層將沿著整個(gè)長(zhǎng)度上發(fā)生滑移。如何識(shí)別初始應(yīng)力在平衡計(jì)算過(guò)程中節(jié)理發(fā)生的滑移，用戶應(yīng)當(dāng)重新評(píng)估所選擇的原巖應(yīng)力參數(shù)和不連續(xù)面強(qiáng)度。沿著節(jié)理長(zhǎng)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(guò)記錄幾種歷史以考察最大的不平衡力的衰減。如果所進(jìn)行的計(jì)算步超過(guò)模型達(dá)到平衡所需的計(jì)算步，并不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。然而，如果不充分的計(jì)算步將影響模型的計(jì)算結(jié)果。UDEC計(jì)算可在任何時(shí)間通過(guò)按<Esc>被中斷。更方便的是使用STEP命令進(jìn)行高次數(shù)的計(jì)算和周期的中斷和再次分析，以確保達(dá)到平衡狀態(tài)。2.6.5進(jìn)行改變和分析UDEC允許在求解過(guò)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(yīng)力；（3）固定或釋放邊界結(jié)點(diǎn)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)。可以用DELETE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(yīng)力。通過(guò)采用BOUNDARYxvel或yvel命令固定邊界角點(diǎn)。通過(guò)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(fù)應(yīng)用，進(jìn)行各種模型的改變。例如，從初始平衡狀態(tài)，應(yīng)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(cè)其響應(yīng)restfall1.savdelete-2,2-2,2resetdispresethisthistunbalhistydis0,2step2000plotblostressdispsavefall2.sav由于采用DELETE命令，模擬開挖矩形洞室，導(dǎo)致模型應(yīng)力的變化。結(jié)點(diǎn)位移與歷史記錄被重新設(shè)定，僅由開挖所引起位移變化被監(jiān)測(cè)。建議在塊體被刪除后重新設(shè)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(jìn)行計(jì)算使之獲得重新平衡。然而，在此情況下，沒(méi)有觀測(cè)到不平衡力接近很小的值，而處于其值為0.017MN的常值。進(jìn)而y位移歷史記錄也顯示在計(jì)算2000步后，在位置（0，2）的位移仍向下運(yùn)動(dòng)。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?yàn)轫敯鍓K體應(yīng)自由下落。如果預(yù)計(jì)模型變化將導(dǎo)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(fù)計(jì)算狀態(tài)當(dāng)進(jìn)行分步計(jì)算時(shí)，另外兩個(gè)命令SAVE和RESTORE是有用的。在一個(gè)階段的結(jié)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(gè)用戶定義的文件名。擴(kuò)展名.sav定義這個(gè)文件是一個(gè)保存文件。這個(gè)文件可以采用如下命令進(jìn)行恢復(fù)：restfile.sav2.6.7簡(jiǎn)單分析的總結(jié)在表2.5中給出了本節(jié)所介紹的主要命令。更常見(jiàn)的情況求解問(wèn)題需要從進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題計(jì)算開始。表2.5簡(jiǎn)單問(wèn)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(cè)模型響應(yīng)HISTORYPLOT保存或恢復(fù)當(dāng)前狀態(tài)SAVERESTORE2.8系統(tǒng)單位表2.6系統(tǒng)單位－力學(xué)參數(shù)SILengthmmMcmDensitykg/m3103kg/m3106kg/m3106g/m3ForceNkNMNMdynesStressPakPaMPaBarGravitym/sec2m/sec2m/sec2cm/sec23用UDEC求解問(wèn)題本章為應(yīng)用UDEC求解巖石力學(xué)工程問(wèn)題提供指導(dǎo)。在3.1節(jié)給出地質(zhì)力學(xué)分析階段的建議。在3.2節(jié)通過(guò)例3.10明確了模型準(zhǔn)則和求解過(guò)程必須考慮的問(wèn)題，涉及的問(wèn)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(jìn)模型效率的方法（3.9節(jié)）；（7）計(jì)算結(jié)果的解釋（3.10節(jié)）。最后，地質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域的模擬原理參見(jiàn)3.11節(jié)。在該領(lǐng)域進(jìn)行模型分析的新手可能希望首先咨詢?cè)摴?jié)。地質(zhì)力學(xué)模擬方法與其他工程領(lǐng)域，如結(jié)構(gòu)工程存在很大的不同。進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分析始終記住這一點(diǎn)是十分重要的。3.1一般性研究模擬地質(zhì)工程的過(guò)程涉及一些特殊的考慮，其設(shè)計(jì)方法也與其他人工材料結(jié)構(gòu)不同。在巖土體上建造結(jié)構(gòu)或在其中開挖分析與設(shè)計(jì)，必然面對(duì)相對(duì)少的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及材料的變形和強(qiáng)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(chǎng)完整的現(xiàn)場(chǎng)資料是不可能的。例如，原巖應(yīng)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(shè)計(jì)預(yù)測(cè)所輸入的必要信息是有限的，所以，地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模型主要用于理解影響系統(tǒng)特征的力學(xué)機(jī)理。一旦掌握了系統(tǒng)的特性，然后，為工程設(shè)計(jì)過(guò)程探索一些簡(jiǎn)單的計(jì)算。面對(duì)地質(zhì)工程研究總是缺少滿意的數(shù)據(jù)以及缺乏對(duì)材料性質(zhì)的充分理解，而在其他領(lǐng)域，在具有充足的數(shù)據(jù)的情況下，應(yīng)用UDEC可直接用于工程設(shè)計(jì)。當(dāng)獲得合理的數(shù)據(jù)應(yīng)用此程序時(shí)總能獲得合理的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如圖3.1所示的應(yīng)用的過(guò)度階段。典型情況復(fù)雜的地質(zhì)條件；簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件不可獲取的數(shù)據(jù)；投入資金無(wú)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究數(shù)據(jù)無(wú)資料充分研究機(jī)理通過(guò)參數(shù)研究預(yù)測(cè)研究現(xiàn)場(chǎng)特性分類（直接用以設(shè)計(jì)）圖3.1模型研究圖譜UDEC程序可用于模型特性的預(yù)測(cè)（如圖3.1的右邊），或僅作為“數(shù)值試驗(yàn)”來(lái)測(cè)試一些設(shè)想（圖3.1的左邊）。正是現(xiàn)場(chǎng)資料（和資金）而不是程序決定了應(yīng)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(yù)測(cè)。由于大部分的UDEC分析是處于較少數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行的，所以，本節(jié)將探討類似于試驗(yàn)研究的數(shù)值模型研究技術(shù)。數(shù)值模型決不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是一個(gè)一端接受信息而另一端輸出結(jié)果的“黑箱”。為了獲得可以合理的解釋，必須十分注意準(zhǔn)備數(shù)值“樣本”和多樣本“試驗(yàn)”。表3.1列出了進(jìn)行成功的數(shù)值模擬試驗(yàn)的建議步驟。下面分別討論：表3.1地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值分析步驟第1步定義模型分析的對(duì)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(jiǎn)單的理想模型第4步搜集模型所需的計(jì)算數(shù)據(jù)第5步準(zhǔn)備一系列用于分析的詳細(xì)模型第6步進(jìn)行模型計(jì)算第7步提供結(jié)果和解釋3.1.1第1步：定義分析模型的對(duì)象一個(gè)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(jī)理的決策，此時(shí)可建造一個(gè)較粗糙的模型，用于兩種機(jī)理的研究。如果試圖涉及存在于實(shí)際模型中的復(fù)雜條件，然而，如果可能對(duì)模型的響應(yīng)產(chǎn)生微不足道的影響或與模型計(jì)算的目的毫不相關(guān)的計(jì)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(gòu)思出實(shí)際問(wèn)題的圖形，便于初步估計(jì)在所施加的條件下，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的基本特性。當(dāng)準(zhǔn)備這個(gè)圖形時(shí)，應(yīng)當(dāng)回答幾個(gè)問(wèn)題。例如，該系統(tǒng)是否穩(wěn)定？主要力學(xué)響應(yīng)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(shí)際的系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)是否還存在其他幾何問(wèn)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(yùn)行簡(jiǎn)單的理想模型當(dāng)為數(shù)值分析理想化一個(gè)物理系統(tǒng)時(shí)，較有效的方法是在構(gòu)筑詳細(xì)的模型之前，首先建造和運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試模型。為產(chǎn)生數(shù)據(jù)和對(duì)問(wèn)題的理解，應(yīng)在盡可能早的階段產(chǎn)生這樣的一個(gè)簡(jiǎn)單模型。其結(jié)果可用于進(jìn)一步系統(tǒng)的概念圖形。在簡(jiǎn)單模型運(yùn)行后可能需要重復(fù)第2步。簡(jiǎn)單的模型能揭示一些問(wèn)題，以便在進(jìn)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(yīng)？基于簡(jiǎn)單模型的計(jì)算結(jié)果能夠有助于指導(dǎo)對(duì)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(wèn)題的數(shù)據(jù)對(duì)于一個(gè)模型分析所需的數(shù)據(jù)類型包括：詳細(xì)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(jié)構(gòu)）；地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)、變形和強(qiáng)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?jiǎn)單模型的計(jì)算結(jié)果（第3步）常常能夠有助于確定變化范圍。3.1.5第5步：準(zhǔn)備一系列詳細(xì)的運(yùn)行模型通常數(shù)值分析用于研究不同的破壞機(jī)理、研究一定范圍變化的計(jì)算參數(shù)的系列分析。當(dāng)為計(jì)算準(zhǔn)備一系列計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)考慮如下一些方面的問(wèn)題：每一個(gè)計(jì)算需要花費(fèi)多少時(shí)間？如果模型運(yùn)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，為達(dá)到有用的結(jié)論所需要獲得足夠的信息可能是困難的。為縮短計(jì)算時(shí)間，可以考慮在多個(gè)計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行參數(shù)變化的計(jì)算。應(yīng)考慮保存所需要的模型在計(jì)算過(guò)程中的中間狀態(tài)，以便每一參數(shù)的變化不必重復(fù)計(jì)算。例如，如果分析幾個(gè)加載或卸載階段，用戶應(yīng)當(dāng)能夠返回運(yùn)行已經(jīng)進(jìn)行的任一階段，以便改變一個(gè)參數(shù)后從那一階段繼續(xù)計(jì)算。在模型中是否設(shè)置足夠的監(jiān)測(cè)位置（歷史記錄），為進(jìn)行清楚地解釋模型計(jì)算結(jié)果和不同計(jì)算參數(shù)的比較分析提供足夠的信息？在模型中設(shè)置幾個(gè)參數(shù)變化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)是有幫助的。尤其模型中的最大不平衡力應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測(cè)，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(jìn)行模型計(jì)算在進(jìn)行一系列模型分析之前，最好首先選擇一個(gè)或兩個(gè)模型進(jìn)行詳細(xì)地分析。這些運(yùn)行應(yīng)當(dāng)隨時(shí)被中斷，確保達(dá)到預(yù)期的效果。一旦能夠確信模型的計(jì)算是正確的，幾個(gè)模型數(shù)據(jù)文件被聯(lián)系在一起，進(jìn)行一系列模型的連續(xù)分析。在連續(xù)運(yùn)行的任何時(shí)間，應(yīng)有可能中斷計(jì)算，查看結(jié)果，然后繼續(xù)或修改模型。3.1.7第7步：提供結(jié)果和解釋求解的最后一步是為進(jìn)行清楚地解釋分析提供計(jì)算結(jié)果。最好是通過(guò)直接在屏幕上顯示或輸出的圖形結(jié)果。圖形結(jié)果應(yīng)當(dāng)提供便于進(jìn)行計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的比較方式。圖形應(yīng)當(dāng)能夠清楚地分析所感興趣的區(qū)域，例如應(yīng)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(xì)解釋模型的響應(yīng)。為有效地進(jìn)行地質(zhì)工程問(wèn)題分析，我們建議了上節(jié)介紹應(yīng)遵循的七個(gè)步驟。下面章節(jié)將論述在UDEC的應(yīng)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(wèn)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(jì)算范圍的單一塊體。然后，這個(gè)塊體被切割成小的塊體。模型中塊體的邊界是地質(zhì)結(jié)構(gòu)面或工程結(jié)構(gòu)（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(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人造結(jié)構(gòu)邊界或?qū)⒈灰迫セ蛟谝院筮B續(xù)的計(jì)算步中改變材料。對(duì)于后者，節(jié)理是虛擬的，其存在不應(yīng)影響模型的計(jì)算結(jié)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(jì)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(jié)構(gòu)特征，由此代表真實(shí)的實(shí)際的物理問(wèn)題?？紤]的方面如下：處于何處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)（即斷層、節(jié)理和層面）應(yīng)詳細(xì)描述？模型邊界的位置對(duì)模型的影響程度如何？如果應(yīng)用變形塊體，在關(guān)心的區(qū)域，何種密度的單元可滿足問(wèn)題的精度？上述三個(gè)方面決定了實(shí)際分析UDEC模型的規(guī)模。如果僅有很少的地質(zhì)結(jié)構(gòu)（即兩個(gè)或三個(gè)切割斷層或遍布空間的節(jié)理組），這些可能通過(guò)CRACK或JSET命令單獨(dú)輸入。記住UDEC是一個(gè)二維程序。除了特殊情況，忽略三維效應(yīng)。如果地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(gè)獨(dú)立特征的斷裂可用一種或兩種方式進(jìn)行輸入。一種是用CRACK命令，他給出斷裂的兩個(gè)端點(diǎn)；另一種是用JSET命令，給出斷裂的傾角和斷裂通過(guò)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(lái)定義一個(gè)傾角為45o，且通過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)（x=5,y=5）的節(jié)理。為了在UDEC計(jì)算中得到認(rèn)可，節(jié)理必須是連續(xù)的（即完全劈裂塊體成兩個(gè)部分）。然而，節(jié)理可以由分段連續(xù)、具有不同角點(diǎn)的分段構(gòu)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(gè)CRACK命令的順序沒(méi)有限制。如果被后來(lái)產(chǎn)生的裂縫交切，內(nèi)部裂縫被保存在一個(gè)臨時(shí)性的文件中和后來(lái)被應(yīng)用。在節(jié)理生成過(guò)程中，任何內(nèi)部或部分貫穿裂縫，在模型運(yùn)行過(guò)程中被刪除。當(dāng)塊體被賦予可變形的（GEN），內(nèi)部或部分裂縫也自動(dòng)被刪除。也可采用JDELETE命令實(shí)施人工刪除。對(duì)于塊體作指定的圓角長(zhǎng)度可能局部影響節(jié)理的產(chǎn)生。最小塊體棱長(zhǎng)定義為圓角長(zhǎng)度的兩倍。因此，節(jié)理段可能背離這個(gè)準(zhǔn)則。例如，例3.2顯示了指定一個(gè)裂縫的端點(diǎn)位置處于角點(diǎn)圓角長(zhǎng)度的兩倍，該裂縫通過(guò)角點(diǎn)的位置坐標(biāo)發(fā)生錯(cuò)位。UDEC并對(duì)任何這樣錯(cuò)位不會(huì)給出任何警告，所以用戶應(yīng)當(dāng)通過(guò)采用PLOTblock命令隨時(shí)進(jìn)行檢查。例3.2圓角長(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)度小到0.1，則裂縫將處在指定的位置。SETedge命令運(yùn)行用戶人為定義的最小塊體棱長(zhǎng)?；谶@個(gè)命令，用戶為精確求解而避免塊體具有小的棱長(zhǎng)，或反之具有很大的邊長(zhǎng)比，能夠設(shè)定一個(gè)較小的圓角長(zhǎng)度。例如，如果設(shè)置命令SETedge0.4和ROUND0.1，則不會(huì)產(chǎn)生小于0.4的塊體棱長(zhǎng)和塊體的圓角長(zhǎng)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(gè)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(shí)際的限制依賴于如同表2.2所示的可利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存。在進(jìn)行節(jié)理生成時(shí)必須考慮這個(gè)限制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(lái)達(dá)到預(yù)期的效果。應(yīng)當(dāng)避免試圖建立一個(gè)復(fù)雜節(jié)理模型的誘惑，關(guān)于此問(wèn)題將在3.11節(jié)中進(jìn)一步討論。節(jié)理自動(dòng)生成器可以在UDEC中得到，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量的參數(shù)（即節(jié)理傾角、間距、長(zhǎng)度和巖橋長(zhǎng)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(yīng)用實(shí)例。高級(jí)用戶還可編寫自己的節(jié)理生成器。這可通過(guò)將節(jié)理生成器所定義節(jié)理段端點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）對(duì)組成的表列來(lái)實(shí)現(xiàn)。FISH函數(shù)可以完成這個(gè)自動(dòng)處理過(guò)程。這個(gè)列表能夠被UDEC直接讀取。另外，圖形數(shù)字化儀也可以用來(lái)產(chǎn)生節(jié)理端點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)。請(qǐng)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(lái)擬合。模擬者必須決定用UDEC模擬實(shí)際節(jié)理模式的水平。幾何的不規(guī)則對(duì)節(jié)理的影響也可以通過(guò)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(yuǎn)，以致模型對(duì)邊界不產(chǎn)生影響。第3.4節(jié)論述了邊界的影響結(jié)果。一般地，對(duì)于單一地下開挖工程，邊界離開挖邊界的距離應(yīng)當(dāng)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(guān)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(yàn)估計(jì)邊界對(duì)模型的影響是重要的。從一個(gè)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(yīng)力或位移，隨邊界距離變化所發(fā)生的變化，來(lái)評(píng)價(jià)邊界對(duì)結(jié)果的影響。參見(jiàn)第3.4節(jié)所給出的邊界影響研究實(shí)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(yīng)采用塊體單元的大小與網(wǎng)格密度。較密的網(wǎng)格單元應(yīng)當(dāng)處在高應(yīng)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(yīng)盡可能接近于1。對(duì)于5:1的情況可能是不精確的。同時(shí)建議相鄰塊體單元的大小不應(yīng)有較大的突變。合理的精度是相鄰兩單元面積之比不應(yīng)當(dāng)超過(guò)4:1。3.2.2產(chǎn)生節(jié)理UDEC提供了兩個(gè)節(jié)理生成器：一個(gè)統(tǒng)計(jì)節(jié)理生成器，由傳統(tǒng)的巖石力學(xué)參數(shù)所定義的參數(shù)產(chǎn)生節(jié)理；另一個(gè)是Voronoi分塊式節(jié)理生成器，用于產(chǎn)生隨機(jī)尺寸的多邊形塊體。統(tǒng)計(jì)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(jì)特征值。Voronoi生成器是采用VORONOI命令和劃分塊體為隨機(jī)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(jì)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(jì)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(duì)力學(xué)特性產(chǎn)生的影響可以進(jìn)行定量描述。同時(shí)，在獲得現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的節(jié)理模式情況下，采用人工模式與觀測(cè)模式相匹配方法決定生成的參數(shù)。一個(gè)節(jié)理組可以通過(guò)8個(gè)生成參數(shù)表述：4個(gè)幾何參數(shù)的均值和4個(gè)隨機(jī)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(zhǎng)度；－兩節(jié)理段間的長(zhǎng)度（即巖橋長(zhǎng)度）；－垂直于節(jié)理跡線的間距。對(duì)于上述的每一對(duì)值，前一個(gè)帶有下標(biāo)的是均值；第二個(gè)帶有下標(biāo)的是均方差。圖3.2給出了參數(shù)的說(shuō)明。圖3.2節(jié)理組參數(shù)最后的三個(gè)參數(shù)是選擇參數(shù)：－節(jié)理起始坐標(biāo)（整體坐標(biāo)軸）。節(jié)理將從點(diǎn)（）開始產(chǎn)生節(jié)理，將充滿由選擇參數(shù)range所定義的整個(gè)范圍。－所有節(jié)理與所給定的節(jié)理跡線方向的偏差。通過(guò)定義的一個(gè)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(jiàn)理論與背景第1.1.3節(jié)中的range關(guān)鍵詞的描述。在大部分情況下，通過(guò)jregionn關(guān)鍵詞定義各種區(qū)域，在此n是指定JREGION命令的參考序號(hào)id。JREGION定義了一個(gè)凸多邊形區(qū)域來(lái)限制節(jié)理組的生成范圍。該命令參數(shù)如下：JREGIONidnx1y1x2y2x3y3x4y4<delete>每一個(gè)節(jié)理區(qū)域是通過(guò)id序號(hào)識(shí)別。區(qū)域的坐標(biāo)按順時(shí)針?lè)较蚨x了節(jié)理產(chǎn)生的邊界。如果給出選擇的關(guān)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(dāng)指定