北京超算——岩石與地下工程數值模拟解決方案

一、岩石和地下工程數值模拟的新思路(lù)

岩石介質的力學性質非常複雜，影(yǐng)響其應力和變形的因素很多，例如(rú)岩石的結構、孔隙、密度、應力曆史、荷載特征、孔隙水及時間效應等等，這種複雜性決定了技術人員在計算有關岩石問題時往往需要花費很多的時間和精力。

北京超算可以采用裝配式岩石與地下工程數值模拟模塊集成策略，爲用戶提供針對性解決方案。超算科技提供的方案包括：
• 岩石變形場、滲流場、溫度場、化學反應場的任意耦合；
• 任意使用合理的材料模型組合（各向同性、橫觀各向同性、各向異性、線彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、彈粘塑性等）；
• 任意的屈服準則選擇（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、廣義雙剪等常用函數）；
• 各種評價指标的選擇，方便圍岩穩定性分析評價。

二、岩石和地下工程數值模拟應用案例

1．圍岩穩定性分析
在地下廠(chǎng)房(fáng)圍岩穩定性彈塑性三維有限元分析項目，考慮了以下因素：
• 原始地應力場
• 滲流場
• 複雜的地質構造（地層、斷層、軟弱結構面）
• 岩層層狀模型
• 縱橫交錯的地下洞群（主廠(chǎng)房(fáng)、主變室、母線洞、引水洞、尾水洞、交通洞）
• 施工過程和施工方法
• 死活單元模拟分層分部位開挖建造
• 噴混凝土襯砌和錨杆、錨索、預應力錨索支護
• 岩錨吊車梁施工及吊車荷載施加
• 蝸殼混凝土回填施工
• 多種施工方案的比較與方案的優化

計算範圍、地層河床及廠(chǎng)房(fáng)區位置圖

地下廠(chǎng)房(fáng)結構及局部地形地質展示圖

空間等水頭面 單位：m

岩溶管道橫剖面等水頭線 單位：m

開挖結束襯砌變形示意圖

開挖結束廠(chǎng)房(fáng)變形示意圖

2．地面沉降分析

岩土材料具有孔隙結構，在地表建築物的壓力作用下通常要發生排水固結。采用孔隙介質流固耦合理論可以模拟在建築物壓力作用下土的固結變形和孔隙水壓力的變化。

3．基礎沉降分析

考慮了塔樓-地基-基礎的相(xiàng)互作用，對地基沉降、地基反力、基礎片筏和塔樓梁、柱的變形和内力進行模拟。可考慮地基正常固結土壓縮指數、天然孔隙比、壓縮模量、平面内不均勻時的有限壓縮模型計算；可考慮地基超固結土壓縮指數、回彈再壓縮指數、天然孔隙比、回彈再壓縮模量平面内不均勻時的有限壓縮模型計算；實現用簡化算法将有限元計算出的變形和反力采用結構力學方法疊加得(de)到筏闆基礎的彎矩分布和剪力分布。

4．凍結法施工模拟

凍結法施工時，通過管道散熱，使隧道周圍岩土壁固結，形成凍壁，以防止地下水滲流到隧道裡面去(qù)，從而達到隧道壁的強化效果。可計算模拟滲流、溫度和相(xiàng)變耦合作用的隧道開挖過程中不同散熱條件下凍土壁厚，溫度分布，滲流場變化。

5. 深部工程軟岩大(dà)變形力學分析

6．煤岩材料的失穩破壞及破壞效應

煤巷放(fàng)炮掘進第20非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

煤巷放(fàng)炮掘進第40非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

三、岩石和地下工程數值模拟解決方案

随着時代的發展，人們從地下開拓生存和發展空間的需求迅速增長，面臨的問題也越來越複雜，需要考慮的因素也越來越多。開辟的地下空間規模、環境、安全等方面的綜合因素決定了，對地下工程的模拟逐漸要過度到多場耦合、大(dà)規模的層次上。在當前地下工程飛速發展的形式下，有效利用數值計算，結合數值模拟和實驗爲地下空間開發的方案選取、施工技術設計、綜合性能評價具有廣闊的發展空間。

北京超算提供如(rú)下的産品和服務：

1．岩石與地下工程數值模拟模塊嵌入式集成

北京超算可以根據用戶提供岩石各物理場（變形場、滲流場、溫度場、化學反應場）組合、材料模型組合（各向同性、橫觀各向同性、各向異性、線彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、彈粘塑性等）、屈服準則選擇（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、廣義雙剪等常用函數，可在不同的應力狀态下選用不同的屈服準則或幾種準則的聯合使用，可以随時方便地添加其它的屈服函數）、評價指标的選擇開發專門(mén)的計算模拟模塊。

2．岩石與地下工程數值模拟咨詢服務

采用公司已有的岩土和地下工程數值模拟産品和技術，爲廣大(dà)用戶提供下列的岩石與地下工程數值模拟技術服務：
1）、邊坡穩定性分析
2）、岩土（有壓、無壓）滲流分析
3）、地下工程開挖建造（支護）穩定性分析
4）、污染物（核廢料、垃圾填埋、工業廢渣）傳輸分析
5）、覆岩坍塌分析
6）、地鐵工程施工技術分析（凍結、盾構）
7）、裂隙流模拟
8）、岩石動力學分析
9）、固、液、氣、溫度多場耦合分析
10）、飽和、非飽和土固結分析
11）、水壓緻裂分析
12）、裂隙岩體高壓灌漿加固分析
13）、沖擊地壓（岩爆）計算
14）、砂土液化分析
15）、路(lù)基凍土（凍融）分析
16）、油田井壁穩定性分析
17）、混凝土施工溫控分析
18）、基礎與結構耦合沉降分析
19）、地熱水運移分析
20）、飽和非飽和多孔介質流分析
21）、鹽湖水入侵分析
22）、支護措施效果分析
（素噴混凝土、挂網噴混凝土、鋼筋混凝土、錨杆、錨索、鋼架、土釘、混凝土硐塞）
23）、基坑施工支護分析
24）、岩體、結構中動力接觸分析
25）、鋼筋混凝土結構分析
26）、軟岩變形分析
27）、斷層、節理等空間結構面分析
28）、化學灌漿加固基礎分析
29）、樁基分析（抗滑樁、抗剪樁、抗拔樁）
30）、岩體、混凝土結構損傷破壞分析
31）、壩基開裂與滲流耦合分析
32）、降雨(yǔ)入滲分析
33）、原位地應力場回歸分析
34）、混凝土重力壩滲流、溫度、應力耦合穩定性分析
35）、岩土參數反演分析