北(běi)京超算(suàn)——岩石與地下(xià)工程數值模拟解決方案

一、岩石和(hé)地下(xià)工程數值模拟的(de)新思路

岩石介質的(de)力學性質非常複雜(zá)，影(yǐng)響其應力和(hé)變形的(de)因素很多(duō)，例如岩石的(de)結構、孔隙、密度、應力曆史、荷載特征、孔隙水(shuǐ)及時(shí)間效應等等，這(zhè)種複雜(zá)性決定了(le)技術人(rén)員(yuán)在計算(suàn)有關岩石問題時(shí)往往需要花費很多(duō)的(de)時(shí)間和(hé)精力。

北(běi)京超算(suàn)可(kě)以采用(yòng)裝配式岩石與地下(xià)工程數值模拟模塊集成策略，爲用(yòng)戶提供針對(duì)性解決方案。超算(suàn)科技提供的(de)方案包括：
• 岩石變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化(huà)學反應場(chǎng)的(de)任意耦合；
• 任意使用(yòng)合理(lǐ)的(de)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(de)屈服準則選擇（Mises、Mohr－Coulomb、Drucker－Prager、Zienkiewicz－Pande、廣義雙剪等常用(yòng)函數）；
• 各種評價指标的(de)選擇，方便圍岩穩定性分(fēn)析評價。

二、岩石和(hé)地下(xià)工程數值模拟應用(yòng)案例

1．圍岩穩定性分(fēn)析
在地下(xià)廠房(fáng)圍岩穩定性彈塑性三維有限元分(fēn)析項目，考慮了(le)以下(xià)因素：
• 原始地應力場(chǎng)
• 滲流場(chǎng)
• 複雜(zá)的(de)地質構造（地層、斷層、軟弱結構面）
• 岩層層狀模型
• 縱橫交錯的(de)地下(xià)洞群（主廠房(fáng)、主變室、母線洞、引水(shuǐ)洞、尾水(shuǐ)洞、交通(tōng)洞）
• 施工過程和(hé)施工方法
• 死活單元模拟分(fēn)層分(fēn)部位開挖建造
• 噴混凝土襯砌和(hé)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(duō)種施工方案的(de)比較與方案的(de)優化(huà)

計算(suàn)範圍、地層河(hé)床及廠房(fáng)區(qū)位置圖

地下(xià)廠房(fáng)結構及局部地形地質展示圖

空間等水(shuǐ)頭面 單位：m

岩溶管道橫剖面等水(shuǐ)頭線 單位：m

開挖結束襯砌變形示意圖

開挖結束廠房(fáng)變形示意圖

2．地面沉降分(fēn)析

岩土材料具有孔隙結構，在地表建築物(wù)的(de)壓力作用(yòng)下(xià)通(tōng)常要發生排水(shuǐ)固結。采用(yòng)孔隙介質流固耦合理(lǐ)論可(kě)以模拟在建築物(wù)壓力作用(yòng)下(xià)土的(de)固結變形和(hé)孔隙水(shuǐ)壓力的(de)變化(huà)。

3．基礎沉降分(fēn)析

考慮了(le)塔樓-地基-基礎的(de)相互作用(yòng)，對(duì)地基沉降、地基反力、基礎片筏和(hé)塔樓梁、柱的(de)變形和(hé)内力進行模拟。可(kě)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(shí)的(de)有限壓縮模型計算(suàn)；可(kě)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(shí)的(de)有限壓縮模型計算(suàn)；實現用(yòng)簡化(huà)算(suàn)法将有限元計算(suàn)出的(de)變形和(hé)反力采用(yòng)結構力學方法疊加得(de)到筏闆基礎的(de)彎矩分(fēn)布和(hé)剪力分(fēn)布。

4．凍結法施工模拟

凍結法施工時(shí)，通(tōng)過管道散熱(rè)，使隧道周圍岩土壁固結，形成凍壁，以防止地下(xià)水(shuǐ)滲流到隧道裏面去，從而達到隧道壁的(de)強化(huà)效果。可(kě)計算(suàn)模拟滲流、溫度和(hé)相變耦合作用(yòng)的(de)隧道開挖過程中不同散熱(rè)條件下(xià)凍土壁厚，溫度分(fēn)布，滲流場(chǎng)變化(huà)。

5. 深部工程軟岩大(dà)變形力學分(fēn)析

6．煤岩材料的(de)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(de)損傷破壞分(fēn)布

煤巷放炮掘進第40非平衡步中心剖面的(de)損傷破壞分(fēn)布

三、岩石和(hé)地下(xià)工程數值模拟解決方案

随著(zhe)時(shí)代的(de)發展，人(rén)們從地下(xià)開拓生存和(hé)發展空間的(de)需求迅速增長(cháng)，面臨的(de)問題也(yě)越來(lái)越複雜(zá)，需要考慮的(de)因素也(yě)越來(lái)越多(duō)。開辟的(de)地下(xià)空間規模、環境、安全等方面的(de)綜合因素決定了(le)，對(duì)地下(xià)工程的(de)模拟逐漸要過度到多(duō)場(chǎng)耦合、大(dà)規模的(de)層次上。在當前地下(xià)工程飛(fēi)速發展的(de)形式下(xià)，有效利用(yòng)數值計算(suàn)，結合數值模拟和(hé)實驗爲地下(xià)空間開發的(de)方案選取、施工技術設計、綜合性能評價具有廣闊的(de)發展空間。

北(běi)京超算(suàn)提供如下(xià)的(de)産品和(hé)服務：

1．岩石與地下(xià)工程數值模拟模塊嵌入式集成

北(běi)京超算(suàn)可(kě)以根據用(yòng)戶提供岩石各物(wù)理(lǐ)場(chǎng)（變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化(huà)學反應場(chǎng)）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(yòng)函數，可(kě)在不同的(de)應力狀态下(xià)選用(yòng)不同的(de)屈服準則或幾種準則的(de)聯合使用(yòng)，可(kě)以随時(shí)方便地添加其它的(de)屈服函數）、評價指标的(de)選擇開發專門的(de)計算(suàn)模拟模塊。

2．岩石與地下(xià)工程數值模拟咨詢服務

采用(yòng)公司已有的(de)岩土和(hé)地下(xià)工程數值模拟産品和(hé)技術，爲廣大(dà)用(yòng)戶提供下(xià)列的(de)岩石與地下(xià)工程數值模拟技術服務：
1）、邊坡穩定性分(fēn)析
2）、岩土（有壓、無壓）滲流分(fēn)析
3）、地下(xià)工程開挖建造（支護）穩定性分(fēn)析
4）、污染物(wù)（核廢料、垃圾填埋、工業廢渣）傳輸分(fēn)析
5）、覆岩坍塌分(fēn)析
6）、地鐵工程施工技術分(fēn)析（凍結、盾構）
7）、裂隙流模拟
8）、岩石動力學分(fēn)析
9）、固、液、氣、溫度多(duō)場(chǎng)耦合分(fēn)析
10）、飽和(hé)、非飽和(hé)土固結分(fēn)析
11）、水(shuǐ)壓緻裂分(fēn)析
12）、裂隙岩體高(gāo)壓灌漿加固分(fēn)析
13）、沖擊地壓（岩爆）計算(suàn)
14）、砂土液化(huà)分(fēn)析
15）、路基凍土（凍融）分(fēn)析
16）、油田井壁穩定性分(fēn)析
17）、混凝土施工溫控分(fēn)析
18）、基礎與結構耦合沉降分(fēn)析
19）、地熱(rè)水(shuǐ)運移分(fēn)析
20）、飽和(hé)非飽和(hé)多(duō)孔介質流分(fēn)析
21）、鹽湖水(shuǐ)入侵分(fēn)析
22）、支護措施效果分(fēn)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(fēn)析
24）、岩體、結構中動力接觸分(fēn)析
25）、鋼筋混凝土結構分(fēn)析
26）、軟岩變形分(fēn)析
27）、斷層、節理(lǐ)等空間結構面分(fēn)析
28）、化(huà)學灌漿加固基礎分(fēn)析
29）、樁基分(fēn)析（抗滑樁、抗剪樁、抗拔樁）
30）、岩體、混凝土結構損傷破壞分(fēn)析
31）、壩基開裂與滲流耦合分(fēn)析
32）、降雨(yǔ)入滲分(fēn)析
33）、原位地應力場(chǎng)回歸分(fēn)析
34）、混凝土重力壩滲流、溫度、應力耦合穩定性分(fēn)析
35）、岩土參數反演分(fēn)析