随着计算机技术的高速发展,数值分析方法得到了越来越广泛的发展及应用,其在隧道工程的计算分析中也体现了巨大的优势。其中,非连续变形分析(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)方法是一种强大的数值分析方法,非常适用于分析非连续固体系统的静态和动态问题。DDA 方法基于块体理论,通过最小化势能原理建立平衡方程,块体的几何形状可以是任意的凸状形或凹状形,甚至可以是带孔的多边形。块体系统的每一个块体均可以独立移动和变形,块体之间能够实现相互接触与分离,其相互作用是通过接触弹簧来实现的,且严格遵守“不嵌入、不张拉” 的原则。在过去的几十年里,DDA 方法已经得到了大量的改进与扩展,并广泛应用于滑坡、落石等领域。
DDA 方法在隧道工程中也得到了广泛的应用,为隧道的稳定性分析等方面提供了非常重要的信息。例如,利用DDA 方法进行了参数化研究,以探索节理属性(隧道深度、节理方向、节理间距和节理摩擦角)因素对隧道稳定性的影响;模拟隧道施工中对倾斜节理岩体的力学特性进行了模拟;耦合三维摄影测量和DDA 方法,使得隧道的三维建模更为有效与精确;应用DDA 方法研究锚杆设置对锚杆与水泥浆界面性质的影响,并通过评估关键参数的影响以便更好地理解推荐的参数值及其对破坏机制的影响。
然而,传统的DDA 方法主要是用来模拟固体系统的力学行为,而没有考虑到流体系统的影响。为了克服这种限制,许多学者试图在DDA 方法中考虑流体的作用。例如采用有限元方法求解自由表面流动,通过Navier-Stokes 方程求解速度和压力,并与DDA 方法进行耦合,以评估水动力荷载作用下防波堤向海坡面的稳定性问题;采用耦合分析模型,考虑裂隙岩体中流体流动的水力响应,采用有限差分法研究沿裂缝的稳定流。(www.xing528.com)
光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种拉格朗日形式的无网格粒子法,适用于对流体系统进行计算及分析。在三维情况下,DDA 方法与SPH 方法的耦合方法已经被提出,并在流固耦合问题上表现出良好的性能,如应用耦合的DDA-SPH 方法模拟滑坡坝的形成过程。很明显,DDA 方法在模拟大变形破坏过程中具有显著的优势,并且由于SPH 方法非常适合于自由表面流动问题,因此,利用这两种数值方法的耦合模型来模拟流固耦合问题是非常有效的。隧道涌水问题的本质属于两相流问题,即固体相和流体相。对于两相流问题,为了模拟流固耦合作用,可通过DDA-SPH 耦合方法进行分析。
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