工程地質力學與數值模擬

① 建築結構有限元模擬和混凝土細觀力學數值模擬哪個前景更好

建築結構有限元模擬和混凝土細觀力學模擬屬於宏觀和細觀范疇，也代表了未來就業的兩個方向。

1.建築結構的有限元模擬

1.建築結構模擬注重結構的整體力學性能，難度較大，可配合相關有限元軟體使用。但是，很容易把自己變成一個工具人。如果選擇這方面，一定要在建築設計上下功夫。未來的工作應該很好找，因為很實用，能直接給企業帶來效益。

2.混凝土細觀力學模擬難度較大，需要學習的內容較多。這樣可以大大提高自己的水平。但這是偏向於研究的，企業需求量不大，以後找合適的工作可能不太容易。如果選擇這方面，一定要考慮深入學習，走科研之路。

② 岩石力學數值模擬方法有哪些，試評述岩石力學研究中常用的數值分析軟體

幾乎所有的數值方法都可以用岩石力學上，解決某些具體問題可能某些數值方法更有優勢。FLAC，ABAQUS等，太多了。

③ 我是工程力學專業數值方向，想了解一下筆記本是不是不適合用來數值模擬是不是台式機更合適配置如何

你的數值方向來是固體、流體還源是非線性動力學.......？
不同方向對計算機性能的要求差異很大。不過作為一般的學習和練手，稍微好一點的筆記本夠用了。CPU、內存要求高一點，顯卡一般的集顯就行。
做實際問題，筆記本一般難以勝任。
規模較小的有限元分析或CFD計算，高配的台式機可以。選擇時最重要的是電腦整體的穩定性，因為針對實際問題的數值模擬的計算量一般都較大。
規模較大的計算（尤其是CFD），一般需要工作站或大型機（包括並行機群）。不過若真需要做這類問題，就用不著你自己買計算機了。

④ 　工程地質力學的建立與進展

60年代中國學者在大量工程地質實踐的基礎上，認識到構造的重要性，從而提出了「岩體結構」的觀點。同時，法國的岩體力學學家Muller L等也認識到岩體結構的重要性。70年代谷德振等提出「岩體工程地質力學」的新概念。它以地質歷史的發展過程——建造與構造，並運用地質力學觀點，研究了岩體的工程地質特性及力學的成因問題。它包括了岩體結構的解析和表徵，岩體結構的力學特性和效應，工程岩體變形破壞機制的分析，工程岩體穩定性的預測和評價等一系列問題。現已初步建立了工程地質力學的理論體系與研究方法。俄羅斯學者最近認為應考慮土體結構。這樣工程地質力學就應將岩體和土體的工程地質力學都包括在內。

80年代岩體工程地質力學進一步發展，提出了岩體結構力學新概念。它主要研究地質模型的力學效應，即把地質模型轉化為力學模型，在此基礎上進一步將力學模型與岩體變形破壞機制有關要素，轉為定量的數學語言表達，進行岩體穩定性的力學分析，作為工程設計的依據。

對於土和土體的工程地質研究，最初是把土作為連續介質，但由於土的特殊物質組成和結構連接，其應力-應變關系為非線性隨時間變化的流變狀態，因此不僅從宏觀力學上用模型方法，而其從土的微觀結構，通過各種結構類型加以量化，建立土的微觀力學模型，這在國內外都取得了相當大的進展。

中國對軟土、黃土等特殊性土以及軟岩、泥化夾層的流變特性和模型研究，解決不少實際工程中土體變形、地基穩定分析等問題。土的微觀結構研究由於測試技術的發展，在80年代進展較快。取得的重要成果有：制樣技術上由風干法發展為凍干法，探討了土的結構對其蠕變及強度的影響，對粘性土及一些特殊性土的微觀結構和工程地質性質關系，以及對微結構的計算機圖像處理技術等。近年來工程地質學家認為土體結構既然對其工程性質有重要制約作用，就應把建立土的結構性本構（計算）模型作為核心問題，提出發展「土體微結構力學」作為土體工程地質研究的新領域。

工程地質力學的發展要求地質研究與工程高度結合，發展工程結構和地質結構的依存關系和相互作用理論。近年來王思敬等採用系統科學原理，提出了工程地質力學綜合集成理論和方法（The Engineering Geomechanics Meta-Synthesis，簡稱EGMS），以期使工程地質力學的定量評價和預測提高到新的水平。

⑤ 理論分析與數值模擬研究

跨過近60年的歷史,在對煤層頂板的覆岩破壞規律的研究中,主要發展和應用了「上三帶」理論、「四帶」理論、關鍵層理論及岩體力學等理論。「上三帶」,即把變形破壞後的覆岩劃分為冒落帶、導水裂隙帶和彎曲帶,該理論已成為普遍的共識,成為覆岩變形破壞研究的基礎理論。在「三帶」基礎上,高延法(1999)提出,在彎曲帶下部存在著一個離層帶,並指出采場頂板某一岩層的下沉、彎曲、斷裂以至於垮落,都以該岩層與上部岩層離層為前提,即「四帶」理論；中國礦業大學黎良傑、錢鳴高提出了關鍵層理論,該理論認為頂板中承載力最大、強度最高的岩層為關鍵層,關鍵層的強度決定著頂板的破壞形式；岩體力學理論已被廣泛地應用於頂板覆岩變形破壞的研究中,煤層頂板被視為彈塑性組合岩梁、懸臂梁、組合薄板、組合薄殼等模型,用以分析頂板變形破壞特徵,以岩體力學為基礎的數值模擬也被廣泛應用。

依據頂板岩層破壞的理論,冒落帶、導水裂隙帶形成的機理在於：煤層未被采動前,煤層及其頂、底板岩層均處於靜力平衡狀態。當煤層采動後,在被采動處造成了一個自由空間,破壞了原來的靜力平衡狀態,引起四周壓力向此自由空間的頂、底及四壁集中。當自由空間不大時,形成平衡壓力拱,拱內的岩體依賴本身的連接結力(強度)保持穩定。隨著採煤工作面的推進,自由空間(采空區)不斷擴大,頂板上面壓力拱的跨度隨之擴大,當擴大到某一限度,使采空區頂板壓力拱內的岩體重量可以破壞該岩體在該跨度之下的連續力(主要為岩體的抗張強度及抗剪強度)時,在沒有支撐或充填的情況下,頂板壓力拱內的岩體開始由下而上的冒落,上覆岩層因受已冒落岩塊的支撐而停止冒落。冒落帶以上的岩層隨著其下面的冒落岩塊的逐漸被壓密而隨之向下移動,當移動量足以使岩層破裂時,則會發生一系列的垂直於層面的斷開裂隙及岩層與岩層之間的離層裂隙。斷開裂隙與離層裂隙縱橫交錯,組成彼此貫通的導水裂隙帶。

因此,頂板岩體被視為岩梁、裂隙體梁、懸臂梁、組合薄板、組合薄殼等結構,以力學理論為基礎加以解析如老頂岩層的梁式平衡、裂隙體梁平衡(結構滑落失穩、結構變形失穩),但由於頂板岩體為大范圍的復雜地質體,力學解析復雜而難於求解,並不能給出冒裂范圍及高度的定量解。目前,冒落帶的理論解基於對冒落岩體的碎脹性的認識,即當冒落下來的岩石體積滿足Khcosα=M+hcosα時,上覆岩層因受到已冒落岩塊的支撐而停止冒落。對不分層開採的緩傾斜的單一薄煤或中厚煤層以及開采厚煤層第一分層時,冒落帶高度

,M為采厚,α為煤層傾角,K為碎脹系數。碎脹系數的分布不能反映出冒落高度隨岩石堅硬程度增高而增大的特點,難以應用。

近年來,各種數值模擬技術在岩土力學中有長足的發展和廣泛的應用。國內不少學者已將各種數值方法引入采礦理論和煤礦開采導水裂隙帶高度研究等方面,取得不少突破性進展。

有限單元法作為解決岩、土體力學問題的有效數值計算方法,由線彈性連續結構有限單元分析,發展至節理裂隙有限單元、屈服變形引起局部破壞有限單元、非線性蠕變有限單元分析。發展成熟的大型通用應用軟體如ADINA、ANSYS等被較多的應用。應用有限單元法,基於連續介質力學和損傷介質力學,東北大學岩石破裂與失穩研究中心研究開發了岩石破裂與失穩分析系統(Rock Fracture Process Analysis簡稱 RFPA2D)。RFPA2D提供相變分析模型,適用於材料的載入初期損傷到後期宏觀裂紋形成擴展的破裂全過程的分析。通過賦予材料的不同構成部分的力學性質參數和相變後力學響應參數,可以完成岩石、混凝土和復合材料的破裂過程分析,可完成介質破裂後的分離和接觸處理。

數值分析方法的理論本身以及採用的演算法尚存在各自的局限性。近年來發展起來的快速拉格郞日分析(,簡稱FLAC),是在較好的吸取上述方法的優點並克服其缺點的基礎上形成的一種新型的數值分析方法(黃潤秋,許強, 1994)。FLAC引入礦井地質領域及導水裂隙帶高度預測,取得了滿意的結果(鄒海1998；劉增輝,2006；武強,2002)。

⑥ 工程力學研究生做工程數值模擬方向，就業前景，未來發展，薪資水平如何

今後有很多行業都趨於飽和，一定要看好今後的發展趨勢。不懂網路我，祝好運，望採納

⑦ 我是學工程地質的，正在讀研，我的研究方向就是邊坡的數值模擬，數值應用到岩土工程中的前景怎麼樣

數值分析在實際工程中當然是有應用的，不過主要的運用比較「高端」，得出專來的數據也就騙騙不懂屬行的甲方，實際中，懂行的技術人員普遍不信任數值分析，因為數值分析中普遍存在「調參」的問題，經過調整過的數據，讓內行人怎麼信任得過。再說了，實際的邊坡計算中，根本就沒有純粹依靠參數計算的，工程人員的工程經驗佔有很大很大的比重。

⑧ 工程地質學的特點是什麼有哪些具體的學習要求

工程地質學是研究與人類工程建築等活動有關的地質問題的學科。地質學的一個分支。工程地質學的研究目的在於查明建設地區或建築場地的工程地質條件，分析、預測和評價可能存在和發生的工程地質問題及其對建築物和地質環境的影響和危害，提出防治不良地質現象的措施，為保證工程建設的合理規劃以及建築物的正確設計、順利施工和正常使用，提供可靠的地質科學依據。研究方法包括地質學方法、實驗和測試方法、計算方法和模擬方法。地質學方法，即自然歷史分析法，是運用地質學理論查明工程地質條件和地質現象的空間分布，分析研究其產生過程和發展趨勢，進行定性的判斷，它是工程地質研究的基本方法，也是其他研究方法的基礎。實驗和測試方法，包括為測定岩、土體特性參數的實驗、對地應力的量級和方向的測試以及對地質作用隨時間延續而發展的監測。計算方法，包括應用統計數學方法對測試數據進行統計分析，利用理論或經驗公式對已測得的有關數據，進行計算，以定量地評價工程地質問題。模擬方法，可分為物理模擬（也稱工程地質力學模擬）和數值模擬，它們是在通過地質研究深入認識地質原型，查明各種邊界條件，以及通過實驗研究獲得有關參數的基礎上，結合建築物的實際作用，正確地抽象出工程地質模型，利用相似材料或各種數學方法，再現和預測地質作用的發生和發展過程。電子計算機在工程地質學領域中的應用，不僅使過去難以完成的復雜計算成為可能，而且能夠對數據資料自動存儲、檢索和處理，甚至能夠將專家們的智慧存儲在計算機中，以備咨詢和處理疑難問題，即所謂的工程地質專家系統（見數學地質）。

⑨ 銅街子電站壩基地質結構的地質力學模擬研究

1 前 言

銅街子電站是目前正在施工的大渡河上最下游一個階梯電站，壩址區工程地質條件較復雜。地質勘探發現，作為壩基的主要持力層玄武岩體中發育有多組層間、層內錯動面和中、緩傾斷裂體系。這顯然是電站主體基礎工程的關鍵問題之一。

由於上述勘探結果與一般地質構造的特徵有所不同，地表又未見這套斷裂的露頭，因而對這一成果的可靠性有不同的看法。一些研究和設計工作者懷疑這一套特殊斷裂體系的存在，認為是一些層間錯動面所構成。為了對地質勘察成果作出驗證，進一步了解軟弱結構面的空間分布及其力學性能、形成機制，以指導進一步勘探、設計和施工，1984年9月至1985年5月成都地質學院應水電部成都勘察設計院的要求開展了相似材料地質力學模型試驗和數值模擬研究工作。

通過深入分析和反復試驗，我們採用了一些特殊手段，使模型試驗和同時進行的數值模擬均取得了滿意的結果，且二者對照相當吻合。該成果不僅深化了勘測、設計單位對壩基地質結構的認識，而且引起了施工部門的重視，使施工中的一些疑難問題（如爆破超程、掉鑽、漏水、壓水試驗反常等）得以正確解釋。這項成果的主要結論和建議已為有關部門採納。1987年8月，電站施工的基坑開挖揭露了壩下地質結構，其實際情況與模擬成果非常接近。

2 壩區地質條件簡述

2.1 地層岩性

電站壩址區河谷開闊，出露基岩為上二疊統的峨眉山玄武岩（P₂β）和砂彎組（P₂s）砂、泥岩。峨眉山玄武岩具五次噴溢輪回，可分為五大層，各大層間沉積了一套厚度一般不大於1m的火山碎屑岩—正常沉積過渡相沉積物，該沉積層受後期擠壓發展為層間錯動帶。擬建的混凝土重力壩坐落在第五層玄武岩（P₂β₅）底部。現將與本課題有關的地層岩性簡列於表1中。

表1 地層岩性簡表

2.2 地質構造

本區大地構造上處於川滇南北構造帶與四川盆地北東向構造帶交接部位。區內發育一系列舒緩褶皺，他們兩翼岩層平緩，傾角一般小於20°。壩址區處於順大渡河發育的近南北向喻壩背斜的向北傾伏端，岩層總體產狀為：走向北西50°～70°，傾向北東，傾角6°～8°（圖1）。在背斜軸部順河發育一對中、緩傾角對沖斷層（F₃、F₆），分別傾向兩岸，破碎帶厚度1～3 m，垂直斷距2～6 m。此外，緩傾角的層間錯動面 C₄、C₅及層內錯動面 Lc也較發育（參見圖11），Lc的發育程度各部位不盡相同。

圖1 電站壩區區域地質圖

3 模型設計

3.1 受力條件的確定

如前所述，研究對象處於一順河發育的背斜核部，如圖2所示。圖中令Z軸與褶皺軸平行，很明顯，X、Y、Z方向分別與褶皺形成時構造應力的三個主應力σ₁、σ₃、σ₂一致。現平行於XOY面截取一單位厚度來研究，顯然其內各點的應力和應變分量（或位移分量）與坐標Z無關，屬平面應變課題。其控制性邊界條件為：

圖2 原型力學環境圖

地殼淺表圈層與人類工程

式中：X、Y分別為截體表面沿x、y方向的面力分量；V、W分別為y、z方向位移分量；l、m為方向餘弦。

3.2 模型幾何圖形設計

根據以上分析，與褶皺軸相垂直的地質剖面（參見圖11）可作為平面課題中模型設計的幾何依據。但應指出，圖11所示為經過構造變動、河流侵蝕等內、外地質營力長期作用的結果，本課題要研究的是再現這些作用的過程及其造成的結果。考慮到背斜軸與河谷方向的一致，背斜的形成很可能與河谷的侵蝕之間有一定的關系，據此在確定背斜形成初期上覆蓋層的厚度時，參考了河谷地帶夷平面和階地的高程，將河谷以上蓋層厚度確定為50m。

研究表明，固體層狀介質受力發生彎曲時，其褶皺波長與板梁厚度間具有如下關系：

地殼淺表圈層與人類工程

式中：L 為褶皺波長；H 為板梁總厚度；E 為主幹層彈性模量，Eˊ為周圍介質層彈性模量；n 為分層層數。參考這一公式，如假定 E 為10×10³M Pa，Eˊ為3×10³M Pa，設 n 為5層，並近似視為等厚層，則有：

地殼淺表圈層與人類工程

即最易發生褶皺的波長為其厚度的1.56倍。小比例尺試驗還顯示背斜隆起部位由於種種原因也是隨機的。

本次試驗將起始模型設計為如圖3所示的舒緩褶皺，其中心部位為一傾角2°的背斜，模型寬（L₀）96cm，高（H₀）58cm，=1.65。

3.3 物理、力學參數選擇

根據試驗資料，出於明顯的考慮，試驗採用了高於岩體低於岩塊的力學參數，如表2所示。

表2 選用參數表

圖3 模型幾何形狀設計圖

3.4 相似關系

本課題要求滿足相似關系的物理量有：

地殼淺表圈層與人類工程

其關系由下式確定：

地殼淺表圈層與人類工程

式中：C為相似系數，L、γ、σ、E、μ、R、σ_t、c、f分別為幾何尺寸、容重、應力彈性模量、泊松比、抗壓強度、內聚力、摩擦系數，P代表原型，m代表模型。

本試驗幾何比選擇為250，容重比為1。其他各物理量的比例系數也隨之確定。模型及其材料物理力學參數確定如表3所示。

表3 模型物理、力學參數表

4 模型材料及模型製作

4.1 模型材料

本試驗選擇了重晶石粉（80%）、氧化鋅粉（12%）和石蠟油（8%）三種原料的拌合物作為制模材料。根據ISMES（即義大利結構模型試驗研究所）的資料和我們的研究表明，通過適當調整三種原料的配比和成模壓力，可以得到系列物理、力學性能有所差別的模型材料，用於模擬不同性能的原型材料。

為選擇合適的配方和成模壓力，試驗中用特製的制磚裝置和擊實儀壓製成不同密度的模塊，並測得有關參數，經反復試驗加以確定。模擬軟弱面C₄、C₅的材料採用厚度為0.01mm的鋁箔和滑石粉，將少量滑石粉均勻地夾於兩層鋁箔中，可將摩擦系數降低至0.25左右。

採用常規方法測定模型材料的單軸抗壓強度、抗剪強度、容重。鑒於材料過軟難以用常規方法測定其變形，本次試驗中採用激光散斑方法測定材料變模。材料的各項指標與表3十分接近。

4.2 模型製作

根據模型受力條件和幾何圖形專門設計和製造了試驗裝置，並採用分層夯實法製成模型。夯實工藝事前由一系列擊實試驗來確定。模型兩側裝上5cm厚的剛性承壓板，前後兩面裝上鋼化玻璃，夾上夾具。在模型與試驗裝置的所有接觸面上都採取了相應降低摩擦的措施。

5 載入、量測裝置及其技術

5.1 載入裝置及其技術

在式（1）所示受力邊界條件中，只有 X=兩表面上存在著 X 方向面荷載，其分布如圖4所示。為了獲得這種梯形荷載，在模型兩側（X=）面的加壓板上安裝上、下兩排千斤頂，分別由兩個油泵供油（圖 5）。這里需要加以說明的是，由於層狀固體介質受力彎曲時，其邊側將因層間錯動而產生如圖6所示狀況，因而如果直接用剛性承壓板傳壓於模型，必將限制這種錯動。故在模型設計時擬定使背斜兩側分別與半側向斜相接，利用向斜軸面兩側位移場的對稱性，將剛性承壓板設在向斜軸面處（如圖7所示），半側向斜在此相當一個傳遞荷截的過渡層，以保證中央背斜部位變形破壞情況更加符合實際。

圖4 面力 X 分布圖

圖5 試驗裝置全景

圖6 層狀固體介質受力彎曲時的情形

圖7 載入位置示意圖

5.2 量測技術

為了直接觀測變形破裂全過程，模型被夾在兩塊鋼化玻璃之間，並用兩具鋼支架夾緊，通過玻璃可直接觀察變形破裂的全過程。實踐證明在模型與玻板間塗上少量凡士林和潤滑油可顯著降低兩者間的摩擦阻力，從而保證透過玻璃板所見變形破裂跡象代表模型變形實際情況。

為測得變形破裂較為精確的數據，在模型的一側表面上用靜電法印上每毫米兩根的細方網格，可詳細鑒別裂紋性質，錯距以及生成次序和生長方向等。模型的另一側表面上，對不同層次塗上不同色，用錄像直接記錄了變形破壞演變的全過程。

6 試驗程序及結果

6.1 試驗程序

試驗分為預壓（第一級荷載）、第一級荷載保持、第二級荷載、第二級荷載保持、第三荷載、鬆弛、河谷卸荷幾個階段進行。

預壓是在正式載入前向模型施加的第一級低水平荷載，定為0.017MPa，並保持1h，使載入系統與模型緊密接觸。第二級荷載在小於0.1MPa的條件下穩壓至變形，破裂相對穩定為止，以便觀察荷載與變形破壞發展的相互關系。第三級荷載加至模型中形成的褶皺與原型中相應部位的岩層產狀傾角相同。然後停止供油，控制載入邊界（即 X=）兩面的 X 方向位移，模型於此時發生鬆弛，最後在 0.1MPa的恆定荷載下模擬河流侵蝕條件下的變形破壞過程。

6.2 試驗結果

試驗中分別以0.007MPa/min和0.0025MPa/min的速率施加二、三兩級荷載，其結果如圖8所示。鬆弛一周後進行人工刨蝕，模擬河流侵蝕下切，最終試驗結果模型構造格架如圖9所示。圖10是模型卸荷回彈位移矢量及卸荷范圍示意圖。

圖8 河谷卸荷完成前模型照片

據試驗成果還對岩體斷裂發育程度進行了分區（圖10）。其中B區為位錯碎裂帶，系河谷兩岸谷坡卸荷帶，其破壞機制主要為滑移-壓致拉裂。由於該區內層內錯動面十分發育，河谷卸荷作用又使得岩體沿這些軟弱面向臨空方向發生滑移而形成廣泛分布於該區的壓致拉裂面。加之原有斷裂的切割，該部分岩體比較破碎。A區為隆折拉裂帶，這是河谷以下區域，岩體以彎曲-拉裂為其主要破壞方式。由於河谷形成後該處應力集中，σ_x陡增、σ_y減小，使本區在卸荷過程中主要表現為向上隆起並伴有沿原有軟弱面的錯動。因該區受兩側逆向斷裂所限，受擠壓隆折的岩層中仍有可能儲存一定的應變能。

圖9 試驗結果模型構造格架總圖（左右岸相反）

圖10 卸荷回彈情況及斷裂發育程度分區示意圖（左、右岸相反）

7 數值模擬成果簡介

在地質力學模擬的同時，對該課題進行了有限元數值模擬。計算中採用的幾何圖形、物理力學參數與地質力學模擬相同。計算結果與地質力學模擬的結果所反應的情況相當吻合。

8 研究成果的驗證

圖11 基坑開挖後的壩址區實測地質剖面圖

1987年8月底，銅街子電站基坑開挖將地質構造基本揭露。F₃斷層傾向右岸坡內，傾角約30°（圖1），相當於地質力學模擬中（圖9）的Ⅰ₁斷裂；F₆斷層傾向右岸，傾角25°左右，相當於圖9中的Ⅱ₂斷裂。層內錯動面Lc廣布於P₂β₅下部，相當於圖9中的Lc，實地考察中見到其中夾有礫石，有的嵌合緊密，有的已被壓裂，這反映了Lc的後期錯動情況。將電站施工地質組與基坑開挖後實測的地質剖面圖（圖11）與圖9對照，可見地質力學模擬的結果與實際情況十分接近，證明了這項模擬在理論、技術等方面的可靠性。

9 結束語

本項研究取得以下成果和認識：

（1）模擬了一種可稱之為「淺生時效變形」構造形成的全過程，並為論證這類構造形成演化的力學機制提供了依據，有關這方面的綜合研究另有專文討論。

（2）根據模擬試驗將壩區岩體按變形破裂狀況劃分為若干單元，為論證壩區岩體穩定提供了依據。

（3）試驗中採用的一些設計、制模方法和測試技術可供同類試驗參考。

⑩ 數值模擬方向好，還是開發地質方向好

地質工程專業介紹
1、學科簡介
地質工程是地質資源與地質工程一級學科下屬的版二級權學科，以原二級學科水文地質與工程地質和探礦工程為主體，相互交叉滲透發展起來的，本工程領域涉及到數學、物理學、地質學、油氣及固體礦產的礦產普查與勘探、水文地質、工程地質、岩土工程、遙感地質、數學地質、應用地球物理和應用地球化學、計算機應用技術等學科。