北京超算——岩石与地下工程数值模拟解决方案

一、岩石和地下工程数值模拟的新思路

岩石介质的力学性质非常复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩石的结构、孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等等，这种复杂性决定了技术人员在计算有关岩石问题时往往需要花费很多的时间和精力。

北京超算可以采用装配式岩石与地下工程数值模拟模块集成策略，为用户提供针对性解决方案。超算科技提供的方案包括：
• 岩石变形场、渗流场、温度场、化学反应场的任意耦合；
• 任意使用合理的材料模型组合（各向同性、横观各向同性、各向异性、线弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、弹粘塑性等）；
• 任意的屈服准则选择（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、广义双剪等常用函数）；
• 各种评价指标的选择，方便围岩稳定性分析评价。

二、岩石和地下工程数值模拟应用案例

1．围岩稳定性分析
在地下厂房围岩稳定性弹塑性三维有限元分析项目，考虑了以下因素：
• 原始地应力场
• 渗流场
• 复杂的地质构造（地层、断层、软弱结构面）
• 岩层层状模型
• 纵横交错的地下洞群（主厂房、主变室、母线洞、引水洞、尾水洞、交通洞）
• 施工过程和施工方法
• 死活单元模拟分层分部位开挖建造
• 喷混凝土衬砌和锚杆、锚索、预应力锚索支护
• 岩锚吊车梁施工及吊车荷载施加
• 蜗壳混凝土回填施工
• 多种施工方案的比较与方案的优化

计算范围、地层河床及厂房区位置图

地下厂房结构及局部地形地质展示图

空间等水头面 单位：m

岩溶管道横剖面等水头线 单位：m

开挖结束衬砌变形示意图

开挖结束厂房变形示意图

2．地面沉降分析

岩土材料具有孔隙结构，在地表建筑物的压力作用下通常要发生排水固结。采用孔隙介质流固耦合理论可以模拟在建筑物压力作用下土的固结变形和孔隙水压力的变化。

3．基础沉降分析

考虑了塔楼-地基-基础的相互作用，对地基沉降、地基反力、基础片筏和塔楼梁、柱的变形和内力进行模拟。可考虑地基正常固结土压缩指数、天然孔隙比、压缩模量、平面内不均匀时的有限压缩模型计算；可考虑地基超固结土压缩指数、回弹再压缩指数、天然孔隙比、回弹再压缩模量平面内不均匀时的有限压缩模型计算；实现用简化算法将有限元计算出的变形和反力采用结构力学方法叠加得到筏板基础的弯矩分布和剪力分布。

4．冻结法施工模拟

冻结法施工时，通过管道散热，使隧道周围岩土壁固结，形成冻壁，以防止地下水渗流到隧道里面去，从而达到隧道壁的强化效果。可计算模拟渗流、温度和相变耦合作用的隧道开挖过程中不同散热条件下冻土壁厚，温度分布，渗流场变化。

5. 深部工程软岩大变形力学分析

6．煤岩材料的失稳破坏及破坏效应

煤巷放炮掘进第20非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

煤巷放炮掘进第40非平衡步中心剖面的损伤破坏分布

三、岩石和地下工程数值模拟解决方案

随着时代的发展，人们从地下开拓生存和发展空间的需求迅速增长，面临的问题也越来越复杂，需要考虑的因素也越来越多。开辟的地下空间规模、环境、安全等方面的综合因素决定了，对地下工程的模拟逐渐要过度到多场耦合、大规模的层次上。在当前地下工程飞速发展的形式下，有效利用数值计算，结合数值模拟和实验为地下空间开发的方案选取、施工技术设计、综合性能评价具有广阔的发展空间。

北京超算提供如下的产品和服务：

1．岩石与地下工程数值模拟模块嵌入式集成

北京超算可以根据用户提供岩石各物理场（变形场、渗流场、温度场、化学反应场）组合、材料模型组合（各向同性、横观各向同性、各向异性、线弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、弹粘塑性等）、屈服准则选择（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、广义双剪等常用函数，可在不同的应力状态下选用不同的屈服准则或几种准则的联合使用，可以随时方便地添加其它的屈服函数）、评价指标的选择开发专门的计算模拟模块。

2．岩石与地下工程数值模拟咨询服务

采用公司已有的岩土和地下工程数值模拟产品和技术，为广大用户提供下列的岩石与地下工程数值模拟技术服务：
1）、边坡稳定性分析
2）、岩土（有压、无压）渗流分析
3）、地下工程开挖建造（支护）稳定性分析
4）、污染物（核废料、垃圾填埋、工业废渣）传输分析
5）、覆岩坍塌分析
6）、地铁工程施工技术分析（冻结、盾构）
7）、裂隙流模拟
8）、岩石动力学分析
9）、固、液、气、温度多场耦合分析
10）、饱和、非饱和土固结分析
11）、水压致裂分析
12）、裂隙岩体高压灌浆加固分析
13）、冲击地压（岩爆）计算
14）、砂土液化分析
15）、路基冻土（冻融）分析
16）、油田井壁稳定性分析
17）、混凝土施工温控分析
18）、基础与结构耦合沉降分析
19）、地热水运移分析
20）、饱和非饱和多孔介质流分析
21）、盐湖水入侵分析
22）、支护措施效果分析
（素喷混凝土、挂网喷混凝土、钢筋混凝土、锚杆、锚索、钢架、土钉、混凝土硐塞）
23）、基坑施工支护分析
24）、岩体、结构中动力接触分析
25）、钢筋混凝土结构分析
26）、软岩变形分析
27）、断层、节理等空间结构面分析
28）、化学灌浆加固基础分析
29）、桩基分析（抗滑桩、抗剪桩、抗拔桩）
30）、岩体、混凝土结构损伤破坏分析
31）、坝基开裂与渗流耦合分析
32）、降雨入渗分析
33）、原位地应力场回归分析
34）、混凝土重力坝渗流、温度、应力耦合稳定性分析
35）、岩土参数反演分析