工程地质力学与数值模拟

① 建筑结构有限元模拟和混凝土细观力学数值模拟哪个前景更好

建筑结构有限元模拟和混凝土细观力学模拟属于宏观和细观范畴，也代表了未来就业的两个方向。

1.建筑结构的有限元模拟

1.建筑结构模拟注重结构的整体力学性能，难度较大，可配合相关有限元软件使用。但是，很容易把自己变成一个工具人。如果选择这方面，一定要在建筑设计上下功夫。未来的工作应该很好找，因为很实用，能直接给企业带来效益。

2.混凝土细观力学模拟难度较大，需要学习的内容较多。这样可以大大提高自己的水平。但这是偏向于研究的，企业需求量不大，以后找合适的工作可能不太容易。如果选择这方面，一定要考虑深入学习，走科研之路。

② 岩石力学数值模拟方法有哪些，试评述岩石力学研究中常用的数值分析软件

几乎所有的数值方法都可以用岩石力学上，解决某些具体问题可能某些数值方法更有优势。FLAC，ABAQUS等，太多了。

③ 我是工程力学专业数值方向，想了解一下笔记本是不是不适合用来数值模拟是不是台式机更合适配置如何

你的数值方向来是固体、流体还源是非线性动力学.......？
不同方向对计算机性能的要求差异很大。不过作为一般的学习和练手，稍微好一点的笔记本够用了。CPU、内存要求高一点，显卡一般的集显就行。
做实际问题，笔记本一般难以胜任。
规模较小的有限元分析或CFD计算，高配的台式机可以。选择时最重要的是电脑整体的稳定性，因为针对实际问题的数值模拟的计算量一般都较大。
规模较大的计算（尤其是CFD），一般需要工作站或大型机（包括并行机群）。不过若真需要做这类问题，就用不着你自己买计算机了。

④ 　工程地质力学的建立与进展

60年代中国学者在大量工程地质实践的基础上，认识到构造的重要性，从而提出了“岩体结构”的观点。同时，法国的岩体力学学家Muller L等也认识到岩体结构的重要性。70年代谷德振等提出“岩体工程地质力学”的新概念。它以地质历史的发展过程——建造与构造，并运用地质力学观点，研究了岩体的工程地质特性及力学的成因问题。它包括了岩体结构的解析和表征，岩体结构的力学特性和效应，工程岩体变形破坏机制的分析，工程岩体稳定性的预测和评价等一系列问题。现已初步建立了工程地质力学的理论体系与研究方法。俄罗斯学者最近认为应考虑土体结构。这样工程地质力学就应将岩体和土体的工程地质力学都包括在内。

80年代岩体工程地质力学进一步发展，提出了岩体结构力学新概念。它主要研究地质模型的力学效应，即把地质模型转化为力学模型，在此基础上进一步将力学模型与岩体变形破坏机制有关要素，转为定量的数学语言表达，进行岩体稳定性的力学分析，作为工程设计的依据。

对于土和土体的工程地质研究，最初是把土作为连续介质，但由于土的特殊物质组成和结构连接，其应力-应变关系为非线性随时间变化的流变状态，因此不仅从宏观力学上用模型方法，而其从土的微观结构，通过各种结构类型加以量化，建立土的微观力学模型，这在国内外都取得了相当大的进展。

中国对软土、黄土等特殊性土以及软岩、泥化夹层的流变特性和模型研究，解决不少实际工程中土体变形、地基稳定分析等问题。土的微观结构研究由于测试技术的发展，在80年代进展较快。取得的重要成果有：制样技术上由风干法发展为冻干法，探讨了土的结构对其蠕变及强度的影响，对粘性土及一些特殊性土的微观结构和工程地质性质关系，以及对微结构的计算机图像处理技术等。近年来工程地质学家认为土体结构既然对其工程性质有重要制约作用，就应把建立土的结构性本构（计算）模型作为核心问题，提出发展“土体微结构力学”作为土体工程地质研究的新领域。

工程地质力学的发展要求地质研究与工程高度结合，发展工程结构和地质结构的依存关系和相互作用理论。近年来王思敬等采用系统科学原理，提出了工程地质力学综合集成理论和方法（The Engineering Geomechanics Meta-Synthesis，简称EGMS），以期使工程地质力学的定量评价和预测提高到新的水平。

⑤ 理论分析与数值模拟研究

跨过近60年的历史,在对煤层顶板的覆岩破坏规律的研究中,主要发展和应用了“上三带”理论、“四带”理论、关键层理论及岩体力学等理论。“上三带”,即把变形破坏后的覆岩划分为冒落带、导水裂隙带和弯曲带,该理论已成为普遍的共识,成为覆岩变形破坏研究的基础理论。在“三带”基础上,高延法(1999)提出,在弯曲带下部存在着一个离层带,并指出采场顶板某一岩层的下沉、弯曲、断裂以至于垮落,都以该岩层与上部岩层离层为前提,即“四带”理论；中国矿业大学黎良杰、钱鸣高提出了关键层理论,该理论认为顶板中承载力最大、强度最高的岩层为关键层,关键层的强度决定着顶板的破坏形式；岩体力学理论已被广泛地应用于顶板覆岩变形破坏的研究中,煤层顶板被视为弹塑性组合岩梁、悬臂梁、组合薄板、组合薄壳等模型,用以分析顶板变形破坏特征,以岩体力学为基础的数值模拟也被广泛应用。

依据顶板岩层破坏的理论,冒落带、导水裂隙带形成的机理在于：煤层未被采动前,煤层及其顶、底板岩层均处于静力平衡状态。当煤层采动后,在被采动处造成了一个自由空间,破坏了原来的静力平衡状态,引起四周压力向此自由空间的顶、底及四壁集中。当自由空间不大时,形成平衡压力拱,拱内的岩体依赖本身的连接结力(强度)保持稳定。随着采煤工作面的推进,自由空间(采空区)不断扩大,顶板上面压力拱的跨度随之扩大,当扩大到某一限度,使采空区顶板压力拱内的岩体重量可以破坏该岩体在该跨度之下的连续力(主要为岩体的抗张强度及抗剪强度)时,在没有支撑或充填的情况下,顶板压力拱内的岩体开始由下而上的冒落,上覆岩层因受已冒落岩块的支撑而停止冒落。冒落带以上的岩层随着其下面的冒落岩块的逐渐被压密而随之向下移动,当移动量足以使岩层破裂时,则会发生一系列的垂直于层面的断开裂隙及岩层与岩层之间的离层裂隙。断开裂隙与离层裂隙纵横交错,组成彼此贯通的导水裂隙带。

因此,顶板岩体被视为岩梁、裂隙体梁、悬臂梁、组合薄板、组合薄壳等结构,以力学理论为基础加以解析如老顶岩层的梁式平衡、裂隙体梁平衡(结构滑落失稳、结构变形失稳),但由于顶板岩体为大范围的复杂地质体,力学解析复杂而难于求解,并不能给出冒裂范围及高度的定量解。目前,冒落带的理论解基于对冒落岩体的碎胀性的认识,即当冒落下来的岩石体积满足Khcosα=M+hcosα时,上覆岩层因受到已冒落岩块的支撑而停止冒落。对不分层开采的缓倾斜的单一薄煤或中厚煤层以及开采厚煤层第一分层时,冒落带高度

,M为采厚,α为煤层倾角,K为碎胀系数。碎胀系数的分布不能反映出冒落高度随岩石坚硬程度增高而增大的特点,难以应用。

近年来,各种数值模拟技术在岩土力学中有长足的发展和广泛的应用。国内不少学者已将各种数值方法引入采矿理论和煤矿开采导水裂隙带高度研究等方面,取得不少突破性进展。

有限单元法作为解决岩、土体力学问题的有效数值计算方法,由线弹性连续结构有限单元分析,发展至节理裂隙有限单元、屈服变形引起局部破坏有限单元、非线性蠕变有限单元分析。发展成熟的大型通用应用软件如ADINA、ANSYS等被较多的应用。应用有限单元法,基于连续介质力学和损伤介质力学,东北大学岩石破裂与失稳研究中心研究开发了岩石破裂与失稳分析系统(Rock Fracture Process Analysis简称 RFPA2D)。RFPA2D提供相变分析模型,适用于材料的加载初期损伤到后期宏观裂纹形成扩展的破裂全过程的分析。通过赋予材料的不同构成部分的力学性质参数和相变后力学响应参数,可以完成岩石、混凝土和复合材料的破裂过程分析,可完成介质破裂后的分离和接触处理。

数值分析方法的理论本身以及采用的算法尚存在各自的局限性。近年来发展起来的快速拉格郞日分析(,简称FLAC),是在较好的吸取上述方法的优点并克服其缺点的基础上形成的一种新型的数值分析方法(黄润秋,许强, 1994)。FLAC引入矿井地质领域及导水裂隙带高度预测,取得了满意的结果(邹海1998；刘增辉,2006；武强,2002)。

⑥ 工程力学研究生做工程数值模拟方向，就业前景，未来发展，薪资水平如何

今后有很多行业都趋于饱和，一定要看好今后的发展趋势。不懂网络我，祝好运，望采纳

⑦ 我是学工程地质的，正在读研，我的研究方向就是边坡的数值模拟，数值应用到岩土工程中的前景怎么样

数值分析在实际工程中当然是有应用的，不过主要的运用比较“高端”，得出专来的数据也就骗骗不懂属行的甲方，实际中，懂行的技术人员普遍不信任数值分析，因为数值分析中普遍存在“调参”的问题，经过调整过的数据，让内行人怎么信任得过。再说了，实际的边坡计算中，根本就没有纯粹依靠参数计算的，工程人员的工程经验占有很大很大的比重。

⑧ 工程地质学的特点是什么有哪些具体的学习要求

工程地质学是研究与人类工程建筑等活动有关的地质问题的学科。地质学的一个分支。工程地质学的研究目的在于查明建设地区或建筑场地的工程地质条件，分析、预测和评价可能存在和发生的工程地质问题及其对建筑物和地质环境的影响和危害，提出防治不良地质现象的措施，为保证工程建设的合理规划以及建筑物的正确设计、顺利施工和正常使用，提供可靠的地质科学依据。研究方法包括地质学方法、实验和测试方法、计算方法和模拟方法。地质学方法，即自然历史分析法，是运用地质学理论查明工程地质条件和地质现象的空间分布，分析研究其产生过程和发展趋势，进行定性的判断，它是工程地质研究的基本方法，也是其他研究方法的基础。实验和测试方法，包括为测定岩、土体特性参数的实验、对地应力的量级和方向的测试以及对地质作用随时间延续而发展的监测。计算方法，包括应用统计数学方法对测试数据进行统计分析，利用理论或经验公式对已测得的有关数据，进行计算，以定量地评价工程地质问题。模拟方法，可分为物理模拟（也称工程地质力学模拟）和数值模拟，它们是在通过地质研究深入认识地质原型，查明各种边界条件，以及通过实验研究获得有关参数的基础上，结合建筑物的实际作用，正确地抽象出工程地质模型，利用相似材料或各种数学方法，再现和预测地质作用的发生和发展过程。电子计算机在工程地质学领域中的应用，不仅使过去难以完成的复杂计算成为可能，而且能够对数据资料自动存储、检索和处理，甚至能够将专家们的智慧存储在计算机中，以备咨询和处理疑难问题，即所谓的工程地质专家系统（见数学地质）。

⑨ 铜街子电站坝基地质结构的地质力学模拟研究

1 前 言

铜街子电站是目前正在施工的大渡河上最下游一个阶梯电站，坝址区工程地质条件较复杂。地质勘探发现，作为坝基的主要持力层玄武岩体中发育有多组层间、层内错动面和中、缓倾断裂体系。这显然是电站主体基础工程的关键问题之一。

由于上述勘探结果与一般地质构造的特征有所不同，地表又未见这套断裂的露头，因而对这一成果的可靠性有不同的看法。一些研究和设计工作者怀疑这一套特殊断裂体系的存在，认为是一些层间错动面所构成。为了对地质勘察成果作出验证，进一步了解软弱结构面的空间分布及其力学性能、形成机制，以指导进一步勘探、设计和施工，1984年9月至1985年5月成都地质学院应水电部成都勘察设计院的要求开展了相似材料地质力学模型试验和数值模拟研究工作。

通过深入分析和反复试验，我们采用了一些特殊手段，使模型试验和同时进行的数值模拟均取得了满意的结果，且二者对照相当吻合。该成果不仅深化了勘测、设计单位对坝基地质结构的认识，而且引起了施工部门的重视，使施工中的一些疑难问题（如爆破超程、掉钻、漏水、压水试验反常等）得以正确解释。这项成果的主要结论和建议已为有关部门采纳。1987年8月，电站施工的基坑开挖揭露了坝下地质结构，其实际情况与模拟成果非常接近。

2 坝区地质条件简述

2.1 地层岩性

电站坝址区河谷开阔，出露基岩为上二叠统的峨眉山玄武岩（P₂β）和砂弯组（P₂s）砂、泥岩。峨眉山玄武岩具五次喷溢轮回，可分为五大层，各大层间沉积了一套厚度一般不大于1m的火山碎屑岩—正常沉积过渡相沉积物，该沉积层受后期挤压发展为层间错动带。拟建的混凝土重力坝坐落在第五层玄武岩（P₂β₅）底部。现将与本课题有关的地层岩性简列于表1中。

表1 地层岩性简表

2.2 地质构造

本区大地构造上处于川滇南北构造带与四川盆地北东向构造带交接部位。区内发育一系列舒缓褶皱，他们两翼岩层平缓，倾角一般小于20°。坝址区处于顺大渡河发育的近南北向喻坝背斜的向北倾伏端，岩层总体产状为：走向北西50°～70°，倾向北东，倾角6°～8°（图1）。在背斜轴部顺河发育一对中、缓倾角对冲断层（F₃、F₆），分别倾向两岸，破碎带厚度1～3 m，垂直断距2～6 m。此外，缓倾角的层间错动面 C₄、C₅及层内错动面 Lc也较发育（参见图11），Lc的发育程度各部位不尽相同。

图1 电站坝区区域地质图

3 模型设计

3.1 受力条件的确定

如前所述，研究对象处于一顺河发育的背斜核部，如图2所示。图中令Z轴与褶皱轴平行，很明显，X、Y、Z方向分别与褶皱形成时构造应力的三个主应力σ₁、σ₃、σ₂一致。现平行于XOY面截取一单位厚度来研究，显然其内各点的应力和应变分量（或位移分量）与坐标Z无关，属平面应变课题。其控制性边界条件为：

图2 原型力学环境图

地壳浅表圈层与人类工程

式中：X、Y分别为截体表面沿x、y方向的面力分量；V、W分别为y、z方向位移分量；l、m为方向余弦。

3.2 模型几何图形设计

根据以上分析，与褶皱轴相垂直的地质剖面（参见图11）可作为平面课题中模型设计的几何依据。但应指出，图11所示为经过构造变动、河流侵蚀等内、外地质营力长期作用的结果，本课题要研究的是再现这些作用的过程及其造成的结果。考虑到背斜轴与河谷方向的一致，背斜的形成很可能与河谷的侵蚀之间有一定的关系，据此在确定背斜形成初期上覆盖层的厚度时，参考了河谷地带夷平面和阶地的高程，将河谷以上盖层厚度确定为50m。

研究表明，固体层状介质受力发生弯曲时，其褶皱波长与板梁厚度间具有如下关系：

地壳浅表圈层与人类工程

式中：L 为褶皱波长；H 为板梁总厚度；E 为主干层弹性模量，Eˊ为周围介质层弹性模量；n 为分层层数。参考这一公式，如假定 E 为10×10³M Pa，Eˊ为3×10³M Pa，设 n 为5层，并近似视为等厚层，则有：

地壳浅表圈层与人类工程

即最易发生褶皱的波长为其厚度的1.56倍。小比例尺试验还显示背斜隆起部位由于种种原因也是随机的。

本次试验将起始模型设计为如图3所示的舒缓褶皱，其中心部位为一倾角2°的背斜，模型宽（L₀）96cm，高（H₀）58cm，=1.65。

3.3 物理、力学参数选择

根据试验资料，出于明显的考虑，试验采用了高于岩体低于岩块的力学参数，如表2所示。

表2 选用参数表

图3 模型几何形状设计图

3.4 相似关系

本课题要求满足相似关系的物理量有：

地壳浅表圈层与人类工程

其关系由下式确定：

地壳浅表圈层与人类工程

式中：C为相似系数，L、γ、σ、E、μ、R、σ_t、c、f分别为几何尺寸、容重、应力弹性模量、泊松比、抗压强度、内聚力、摩擦系数，P代表原型，m代表模型。

本试验几何比选择为250，容重比为1。其他各物理量的比例系数也随之确定。模型及其材料物理力学参数确定如表3所示。

表3 模型物理、力学参数表

4 模型材料及模型制作

4.1 模型材料

本试验选择了重晶石粉（80%）、氧化锌粉（12%）和石蜡油（8%）三种原料的拌合物作为制模材料。根据ISMES（即意大利结构模型试验研究所）的资料和我们的研究表明，通过适当调整三种原料的配比和成模压力，可以得到系列物理、力学性能有所差别的模型材料，用于模拟不同性能的原型材料。

为选择合适的配方和成模压力，试验中用特制的制砖装置和击实仪压制成不同密度的模块，并测得有关参数，经反复试验加以确定。模拟软弱面C₄、C₅的材料采用厚度为0.01mm的铝箔和滑石粉，将少量滑石粉均匀地夹于两层铝箔中，可将摩擦系数降低至0.25左右。

采用常规方法测定模型材料的单轴抗压强度、抗剪强度、容重。鉴于材料过软难以用常规方法测定其变形，本次试验中采用激光散斑方法测定材料变模。材料的各项指标与表3十分接近。

4.2 模型制作

根据模型受力条件和几何图形专门设计和制造了试验装置，并采用分层夯实法制成模型。夯实工艺事前由一系列击实试验来确定。模型两侧装上5cm厚的刚性承压板，前后两面装上钢化玻璃，夹上夹具。在模型与试验装置的所有接触面上都采取了相应降低摩擦的措施。

5 加载、量测装置及其技术

5.1 加载装置及其技术

在式（1）所示受力边界条件中，只有 X=两表面上存在着 X 方向面荷载，其分布如图4所示。为了获得这种梯形荷载，在模型两侧（X=）面的加压板上安装上、下两排千斤顶，分别由两个油泵供油（图 5）。这里需要加以说明的是，由于层状固体介质受力弯曲时，其边侧将因层间错动而产生如图6所示状况，因而如果直接用刚性承压板传压于模型，必将限制这种错动。故在模型设计时拟定使背斜两侧分别与半侧向斜相接，利用向斜轴面两侧位移场的对称性，将刚性承压板设在向斜轴面处（如图7所示），半侧向斜在此相当一个传递荷截的过渡层，以保证中央背斜部位变形破坏情况更加符合实际。

图4 面力 X 分布图

图5 试验装置全景

图6 层状固体介质受力弯曲时的情形

图7 加载位置示意图

5.2 量测技术

为了直接观测变形破裂全过程，模型被夹在两块钢化玻璃之间，并用两具钢支架夹紧，通过玻璃可直接观察变形破裂的全过程。实践证明在模型与玻板间涂上少量凡士林和润滑油可显著降低两者间的摩擦阻力，从而保证透过玻璃板所见变形破裂迹象代表模型变形实际情况。

为测得变形破裂较为精确的数据，在模型的一侧表面上用静电法印上每毫米两根的细方网格，可详细鉴别裂纹性质，错距以及生成次序和生长方向等。模型的另一侧表面上，对不同层次涂上不同色，用录像直接记录了变形破坏演变的全过程。

6 试验程序及结果

6.1 试验程序

试验分为预压（第一级荷载）、第一级荷载保持、第二级荷载、第二级荷载保持、第三荷载、松弛、河谷卸荷几个阶段进行。

预压是在正式加载前向模型施加的第一级低水平荷载，定为0.017MPa，并保持1h，使加载系统与模型紧密接触。第二级荷载在小于0.1MPa的条件下稳压至变形，破裂相对稳定为止，以便观察荷载与变形破坏发展的相互关系。第三级荷载加至模型中形成的褶皱与原型中相应部位的岩层产状倾角相同。然后停止供油，控制加载边界（即 X=）两面的 X 方向位移，模型于此时发生松弛，最后在 0.1MPa的恒定荷载下模拟河流侵蚀条件下的变形破坏过程。

6.2 试验结果

试验中分别以0.007MPa/min和0.0025MPa/min的速率施加二、三两级荷载，其结果如图8所示。松弛一周后进行人工刨蚀，模拟河流侵蚀下切，最终试验结果模型构造格架如图9所示。图10是模型卸荷回弹位移矢量及卸荷范围示意图。

图8 河谷卸荷完成前模型照片

据试验成果还对岩体断裂发育程度进行了分区（图10）。其中B区为位错碎裂带，系河谷两岸谷坡卸荷带，其破坏机制主要为滑移-压致拉裂。由于该区内层内错动面十分发育，河谷卸荷作用又使得岩体沿这些软弱面向临空方向发生滑移而形成广泛分布于该区的压致拉裂面。加之原有断裂的切割，该部分岩体比较破碎。A区为隆折拉裂带，这是河谷以下区域，岩体以弯曲-拉裂为其主要破坏方式。由于河谷形成后该处应力集中，σ_x陡增、σ_y减小，使本区在卸荷过程中主要表现为向上隆起并伴有沿原有软弱面的错动。因该区受两侧逆向断裂所限，受挤压隆折的岩层中仍有可能储存一定的应变能。

图9 试验结果模型构造格架总图（左右岸相反）

图10 卸荷回弹情况及断裂发育程度分区示意图（左、右岸相反）

7 数值模拟成果简介

在地质力学模拟的同时，对该课题进行了有限元数值模拟。计算中采用的几何图形、物理力学参数与地质力学模拟相同。计算结果与地质力学模拟的结果所反应的情况相当吻合。

8 研究成果的验证

图11 基坑开挖后的坝址区实测地质剖面图

1987年8月底，铜街子电站基坑开挖将地质构造基本揭露。F₃断层倾向右岸坡内，倾角约30°（图1），相当于地质力学模拟中（图9）的Ⅰ₁断裂；F₆断层倾向右岸，倾角25°左右，相当于图9中的Ⅱ₂断裂。层内错动面Lc广布于P₂β₅下部，相当于图9中的Lc，实地考察中见到其中夹有砾石，有的嵌合紧密，有的已被压裂，这反映了Lc的后期错动情况。将电站施工地质组与基坑开挖后实测的地质剖面图（图11）与图9对照，可见地质力学模拟的结果与实际情况十分接近，证明了这项模拟在理论、技术等方面的可靠性。

9 结束语

本项研究取得以下成果和认识：

（1）模拟了一种可称之为“浅生时效变形”构造形成的全过程，并为论证这类构造形成演化的力学机制提供了依据，有关这方面的综合研究另有专文讨论。

（2）根据模拟试验将坝区岩体按变形破裂状况划分为若干单元，为论证坝区岩体稳定提供了依据。

（3）试验中采用的一些设计、制模方法和测试技术可供同类试验参考。

⑩ 数值模拟方向好，还是开发地质方向好

地质工程专业介绍
1、学科简介
地质工程是地质资源与地质工程一级学科下属的版二级权学科，以原二级学科水文地质与工程地质和探矿工程为主体，相互交叉渗透发展起来的，本工程领域涉及到数学、物理学、地质学、油气及固体矿产的矿产普查与勘探、水文地质、工程地质、岩土工程、遥感地质、数学地质、应用地球物理和应用地球化学、计算机应用技术等学科。