北京超算——巖石與地下工程數值模擬解決方案

一、巖石和地下工程數值模擬的新思路

巖石(shi)(shi)介(jie)質(zhi)(zhi)的力學(xue)性質(zhi)(zhi)非(fei)常復雜，影響其應(ying)力和(he)變形的因素很(hen)多，例如巖石(shi)(shi)的結構(gou)、孔(kong)隙、密(mi)度、應(ying)力歷(li)史、荷載特征、孔(kong)隙水及時(shi)間效應(ying)等(deng)等(deng)，這種復雜性決(jue)定了技術人員在計算有關巖石(shi)(shi)問題時(shi)往(wang)往(wang)需要花費(fei)很(hen)多的時(shi)間和(he)精(jing)力。

北京超算可以采用裝配式巖石與地下工程數值模擬模塊集成策略，為用戶提供針對性解決方案。超算科技提供的方案包括：
• 巖石變形場、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(jia)指標的選擇，方便圍(wei)巖穩定性分析評價(jia)。

二、巖石和地下工程數值模擬應用案例

1．圍巖穩定性分析
在地下廠房圍巖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
• 復雜的地質構造（地層、斷層、軟弱結構面）
• 巖層層狀模型
• 縱橫交錯的地下洞群（主廠房、主變室、母線洞、引水洞、尾水洞、交通洞）
• 施工過程和施工方法
• 死活單元模擬分層分部位開挖建造
• 噴混凝土襯砌和錨桿、錨索、預應力錨索支護
• 巖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(de)比(bi)較與方案的(de)優化(hua)

計算范圍、地層河床及廠房區位置圖

地下廠房結構及局部地形地質展示圖

空間等水頭面 單位：m

巖溶管道橫剖面等水頭線 單位：m

開挖結束襯砌變形示意圖

開挖結束廠房變形示意圖

2．地面沉降分析

巖土(tu)材料(liao)具有孔隙(xi)結(jie)(jie)構，在地表建(jian)筑物的壓(ya)(ya)力(li)作用(yong)下(xia)通(tong)常要(yao)發(fa)生(sheng)排水(shui)固結(jie)(jie)。采用(yong)孔隙(xi)介質流固耦合理論(lun)可以模擬在建(jian)筑物壓(ya)(ya)力(li)作用(yong)下(xia)土(tu)的固結(jie)(jie)變形和孔隙(xi)水(shui)壓(ya)(ya)力(li)的變化。

3．基礎沉降分析

考慮了塔樓-地(di)(di)基(ji)(ji)-基(ji)(ji)礎(chu)的(de)相(xiang)互作用(yong)(yong)，對地(di)(di)基(ji)(ji)沉(chen)降、地(di)(di)基(ji)(ji)反力(li)、基(ji)(ji)礎(chu)片筏和塔樓梁(liang)、柱的(de)變(bian)形和內力(li)進行(xing)模(mo)(mo)(mo)擬。可考慮地(di)(di)基(ji)(ji)正(zheng)常固結(jie)土(tu)壓(ya)縮(suo)指數、天然(ran)孔隙比、壓(ya)縮(suo)模(mo)(mo)(mo)量(liang)、平面內不均(jun)勻時的(de)有(you)(you)限(xian)壓(ya)縮(suo)模(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算；可考慮地(di)(di)基(ji)(ji)超(chao)固結(jie)土(tu)壓(ya)縮(suo)指數、回彈再壓(ya)縮(suo)指數、天然(ran)孔隙比、回彈再壓(ya)縮(suo)模(mo)(mo)(mo)量(liang)平面內不均(jun)勻時的(de)有(you)(you)限(xian)壓(ya)縮(suo)模(mo)(mo)(mo)型(xing)計(ji)算；實(shi)現用(yong)(yong)簡化算法(fa)(fa)將(jiang)有(you)(you)限(xian)元計(ji)算出的(de)變(bian)形和反力(li)采用(yong)(yong)結(jie)構力(li)學方法(fa)(fa)疊(die)加得到筏板基(ji)(ji)礎(chu)的(de)彎矩(ju)分(fen)布和剪力(li)分(fen)布。

4．凍結法施工模擬

凍(dong)(dong)結法(fa)施工時，通(tong)過管(guan)道(dao)(dao)散(san)熱，使隧(sui)道(dao)(dao)周(zhou)圍巖土壁(bi)固結，形(xing)成凍(dong)(dong)壁(bi)，以防止地(di)下(xia)水滲流(liu)到(dao)隧(sui)道(dao)(dao)里面(mian)去，從而達到(dao)隧(sui)道(dao)(dao)壁(bi)的強化效果。可(ke)計算模擬(ni)滲流(liu)、溫度和相變(bian)耦合(he)作用的隧(sui)道(dao)(dao)開挖過程中不(bu)同(tong)散(san)熱條件下(xia)凍(dong)(dong)土壁(bi)厚，溫度分(fen)布(bu)，滲流(liu)場變(bian)化。

5. 深部工程軟巖大變形力學分析

6．煤巖材料的失穩破壞及破壞效應

煤巷放炮掘進第20非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

煤巷放炮掘進第40非平衡步中心剖面的損傷破壞分布

三、巖石和地下工程數值模擬解決方案

隨著時代的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展，人們從地(di)下(xia)(xia)(xia)開拓生存(cun)和發(fa)(fa)展空間(jian)的(de)(de)(de)需求迅(xun)速增長，面(mian)臨的(de)(de)(de)問題也越來越復雜，需要考慮(lv)的(de)(de)(de)因素也越來越多。開辟的(de)(de)(de)地(di)下(xia)(xia)(xia)空間(jian)規模(mo)(mo)、環(huan)境、安(an)全等方面(mian)的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)因素決定了，對地(di)下(xia)(xia)(xia)工(gong)程的(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬逐漸(jian)要過度到(dao)多場耦合(he)、大規模(mo)(mo)的(de)(de)(de)層次(ci)上。在當前地(di)下(xia)(xia)(xia)工(gong)程飛速發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)形式下(xia)(xia)(xia)，有(you)效利用數(shu)值計算，結合(he)數(shu)值模(mo)(mo)擬和實驗為地(di)下(xia)(xia)(xia)空間(jian)開發(fa)(fa)的(de)(de)(de)方案選(xuan)取、施工(gong)技術設計、綜(zong)合(he)性能(neng)評價具有(you)廣闊的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展空間(jian)。

北京超算提供如下的產品和服務：

1．巖石與地下工程數值模擬模塊嵌入式集成

北京超算可(ke)以(yi)根據(ju)用(yong)(yong)(yong)戶提供巖(yan)石各(ge)物理場（變形場、滲流場、溫度場、化(hua)學反(fan)應(ying)場）組(zu)(zu)合(he)、材料模型組(zu)(zu)合(he)（各(ge)向(xiang)(xiang)同(tong)(tong)性、橫觀各(ge)向(xiang)(xiang)同(tong)(tong)性、各(ge)向(xiang)(xiang)異性、線彈性、彈塑(su)性、粘彈性、粘塑(su)性、彈粘塑(su)性等）、屈服(fu)準則選擇(ze)（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、廣(guang)義雙剪等常用(yong)(yong)(yong)函(han)數，可(ke)在不同(tong)(tong)的(de)(de)應(ying)力狀(zhuang)態下(xia)選用(yong)(yong)(yong)不同(tong)(tong)的(de)(de)屈服(fu)準則或幾種準則的(de)(de)聯合(he)使用(yong)(yong)(yong)，可(ke)以(yi)隨時(shi)方便地添加其它的(de)(de)屈服(fu)函(han)數）、評價指(zhi)標的(de)(de)選擇(ze)開發專門的(de)(de)計算模擬模塊(kuai)。

2．巖石與地下工程數值模擬咨詢服務

采用公司已有的巖土和地下工程數值模擬產品和技術，為廣大用戶提供下列的巖石與地下工程數值模擬技術服務：
1）、邊坡穩定性分析
2）、巖土（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）、覆巖坍塌分析
6）、地鐵工程施工技術分析（凍結、盾構）
7）、裂隙流模擬
8）、巖石動力學分析
9）、固、液、氣、溫度多場耦合分析
10）、飽和、非飽和土固結分析
11）、水壓致裂分析
12）、裂隙巖體高壓灌漿加固分析
13）、沖擊地壓（巖爆）計算
14）、砂土液化分析
15）、路基凍土（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、掛網噴混凝土、鋼筋混凝土、錨桿、錨索、鋼架、土釘、混凝土硐塞）
23）、基坑施工支護分析
24）、巖體、結構中動力接觸分析
25）、鋼筋混凝土結構分析
26）、軟巖變形分析
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）、巖體、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）、巖土(tu)參數(shu)反演(yan)分析