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JRDDA 节理岩体不连续变形分析软件
产品版本: V1.0
适用平台: Windows操作系统
产品介绍典型案例参考文献

简介    

JRDDA主要用于模拟节理岩体在外力作用下变形与运动行为,不仅允许块体单元本身有位移和变形,而且还允许块体间有错位、滑动、开裂以及转动等不连续变形,在模拟离散介质发生大位移、失稳破坏的静、动力分析方面有其突出优点,可用以分析边坡、隧洞、大坝及其基础、地下厂房、核废料地下处置库等结构的受力状态、变形特性和接触关系,为工程技术人员进行设计优化、岩体稳定性评价和施工技术决策提供依据。


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软件主要功能

该软件主要由4个方面功能集成:即前处理建模、计算分析、计算结果后处理以及动画演示等,简介如下:

1、前处理建模功能

前处理建模通过2种方式输入岩体内部不连续结构面几何信息,一是直接读入由AutoCAD形成的dxf文件,二是使用文本编辑器对结构面的几何信息按照预定格式进行编辑,形成设定的geo文件。读入结构面数据信息后,程序自动对块体进行识别,将节理、裂缝等不连续面切割形成的块体搜索出来,并对块体单元及其节点进行编号,形成程序计算求解所需的块体信息;

通过对话框方式定义岩石块体及其结构面的材料属性,如弹模、泊松比、容重、摩擦角、内聚力等,对不同的材料定义不同的颜色进行区分,材料类型可以自动增加、修改和删除;通过图形输入方式定义节理岩体的计算范围,几何边界条件和外荷载(集中荷载、分布荷载),并且可以选中图元进行修改、编辑和删除等操作。

2、计算分析功能

通过对话框输入岩体初始地应力场,通过图形输入、对话框交互方式定义岩体开挖线和施工步,模拟岩体分步、分期开挖过程;定义岩体开挖支护的锚杆结构,并实现对支护结构进行编辑、修改和删除等操作。

通过对话框进行分析模式(静态、动态分析)、分析类型(平面应变、平面应力)、积分方案以及计算参数设置、定义时步、阻尼和收敛标准,程序自动计算各块体单元弹性子矩阵、惯性子矩阵、阻尼子矩阵、初应力子矩阵、开挖荷载子矩阵、体荷载子矩阵、集中荷载、分布荷载子矩阵、接触子矩阵以及摩擦力子矩阵,并装配形成总体平衡方程,求解后输出块体单元的应力、应变、位移、速度以及加速度等信息。

 3、后处理功能

后处理功能主要完成计算结果所涉及的图形处理工作。任意显示不同时步、不同开挖步的块体变形图,块体位移矢量图、应力矢量图、位移等值线图、应力等值线图、位移云图、应力云图等;对动态问题,输出块体单元的速度矢量图、加速度矢量图;对施工过程的模拟,输出开挖扰动区的范围,开裂区的范围等。后处理的数据自动以数据文件保存在工程目录下。

4、动画显示功能

动画显示功能主要是计算完成后实现对块体的变形过程、运动过程进行动画回放。通过对话框方式设定动画演示的时间间隔、总时步以及变形显示的比例等,对静态问题,程序自动实现块体变形的动画演示;对动态问题,实现对块体运动过程的动画演示;对开挖过程的模拟,实现对不同开挖步后,块体变形、块体位移矢量以及块体应力云图的动画演示。


软件主要技术特点

1、基于Windows 9x/NT/2000/XP操作系统,前后处理、计算分析程序一体化,主要针对图形和对话框方式进行操作和人机交互,表面不出现复杂的不连续变形分析内容。

2、具有较强的前、后处理功能,可以模拟节理岩体沿结构面的张开、位错以及转动等不连续变形乃至系统失稳后产生的大变形、大位移模式,在计算完成后可以实现对块体的运动变形过程进行动画回放。

3、采用“软化单元法”模拟岩体开挖,其优点是不必将开挖单元从计算模型中删除,不会改变块体单元编码及其在总刚矩阵中的存储方式,程序实现简单宜行,便于操作。

4、可以模拟岩体分步开挖、分步支护的动态施工过程,并可对关键点的位移、应力值进行施工步的跟踪显示。

5、采用Newmark积分方法求解块体系统运动方程,并给出一种局部自适应阻尼,保证了求解的稳定性和计算精度,加快了收敛速度。 

 


案例1: 节理岩体沉降变形

岩体被二组节理切割形成块体系统, 在其上边界中部1m范围内作用有均布荷载,如图1.1所示。采用JRDDA软件对节理岩体的沉降变形进行模拟,设定总的迭代次数为5000时步,收敛精度为1.0E-6,实际收敛时迭代步数仅为23时步。图1.2~图1.3分别给出了JRDDA的应力、变形计算结果,图1.4给出了节理岩体沉降变形曲线对比,JRDDA和Goodman节理单元的计算结果具有较好的一致性。

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图1.1  节理岩体地基模型


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图1.2  位移矢量图


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图1.3  应力矢量图


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图1.4  地基沉降变形对比分析    

案例2: 大坝蓄水变形

混凝土重力坝坝高100m,坝顶宽12m,上游坡面垂直,下游坡面斜率1:0.58。边界条件为坝基的上下游面为水平约束,坝基底面为垂直约束,分别采用JRDDA软件和ANSYS软件计算大坝在蓄水后静水压力下的变形。由于大坝为均质连续体,DDA可以采用虚拟的“人工节理(Artificial Joint)”划分块体单元(图2.1),“人工节理”参数取大坝材料参数;ANSYS采用四边形等参单元划分网格(图2.2)。设定总的计算时步为2000时步,收敛精度为1.0e-6,实际收敛时迭代步数为52时步。图2.3-图2.6给出了JRDDA与ANSYS的计算成果。对于这种连续体的小变形问题,DDA和FEM的数值模拟结果具有较好的可比性,两者反映的规律基本是一致的。

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       图2.1  块体单网格                      图2.2  有限单元网格

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    图2.3  JRDDA计算的水平位移等值线图  图2.4  ANSYS计算的水平位移等值线图

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    图2.5  JRDDA计算的竖直位移等值线图  图2.6  ANSYS计算的竖直位移等值线图

案例3:急倾斜矿体开采

如图3.1所示,模拟急倾斜矿体在990m水平至1190m水平之间矿体开采。在开采前,1190m岩体所受的自重产生的地应力为33Mpa,侧压力系数为1。分别采用JRDDA和UDEC软件模拟矿体开采引起围岩变形和开挖扰动区影响。矿体分5个步骤连续开采,第一步,先开采1190m水平上部的矿体,形成45m高的矿房,然后分四步连续开采下水平矿房,进尺分别为17m,15m,15m和18m,最后留下10m作冠形矿柱。图3.2~图3.6给出了矿体分步开挖位移矢量图,JRDDA和UDEC的计算成果反应的矿体开挖后的围岩变形规律是一致的。图3.7-3.8给出了上水平矿体、下水平矿体开挖完成后的应力矢量图,由图可见,开挖引起矿体顶板和底板的应力释放,开挖完成后,应力转移到上、下支撑壁上。

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图3.1  急倾斜矿体开采(ITASCA Consulting Group Inc.)

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图3.2  第1步开挖后的位移矢量分布(JRDDA,UDEC)


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图3.3  第2步开挖后的位移矢量分布(JRDDA,UDEC)


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图3.4  第3步开挖后的位移矢量分布(JRDDA,UDEC)


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图3.5  第4步开挖后的位移矢量分布(JRDDA,UDEC)

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图3.6  开挖完成后的位移矢量分布(JRDDA,UDEC)


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图3.7  第一步开挖后的应力分布(JRDDA,UDEC)


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图3.8  完全开挖后的应力分布(JRDDA,UDEC)

案例4:千将坪滑坡

采用JRDDA对长江三峡库区千将坪滑坡的运动全过程进行了数值模拟研究,图4.1-4.4给出了滑坡发生、发展的渐进破坏过程以及滑坡触发后的运动情况。模拟结果表明,千将坪滑坡是以斜坡坡脚的局部破坏为其运动的开始阶段,并进一步牵引上部滑体,在地下水压力作用下最终产生整体滑动。


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图4.1  400时步变形(t = 11 s)


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图4.2  800时步变形(t = 18 s)

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图4.3  1500时步变形(t = 31 s)

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图4.4  3500时步变形(t = 70s)

案例5:边坡地震动力稳定分析

图5.1给出了工程区边坡在8.0级汶川地震波作用下的动力稳定性分析,整个动力变形过程分为压密-滑移-拉裂阶段。由于多条软弱结构面的相互切割,形成了多个潜在滑移面,边坡局部表现为明显的滑移-拉裂破坏模式。

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图5.1 地震波作用下边坡动力稳定性分析


案例6:边坡台阶爆破模拟

该实例是模拟双排炮孔微差爆破,微差延时为50ms。岩体边坡被两组相互垂直的节理切割,一组水平方向,另一组垂直方向,节理间距为50cm。采用JRDDA软件对边坡双排台阶抛掷爆破进行模拟,计算模型左边界和下边界设置为透射边界,其他为自由边界。图6.1-图6.8给出了岩石块体的破坏、运动情况、以及最终形成的爆堆。


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      图6.1  第2步变形结果(0.000034s)  图6.3  第200步变形结果(0.024350s)

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图6.3  第500步变形结果(0.061350s)   图6.4  第700步变形结果(0.089650s)

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图6.5  第1000步变形结果(0.15765s) 图6.6  第1500步变形结果(0.15765s)

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图6.7  第2000步变形结果(0.19790s)  图6.8  第2500步变形结果(0.24190s)




1.  Jiang QH, Chen YF, Zhou CB, M. R. Yeung. Kinetic Energy Dissipation and Convergence Criterion of Discontinuous Deformations Analysis (DDA) for Geotechnical Engineering. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2013, 46(6):1443–1460.

2.  Jiang QH, Zhou CB, Li DQ, MR Yeung. A softening block approach to simulate excavation in jointed rocks. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2012,71(4):747-759

3.  Jiang QH and Yeung MR. A model of point-to-face contact for three-dimensional discontinuous deformation analysis. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2004, 37(2): 95-116

4.  Yeung MR, Jiang QH, Sun N. A model of edge-to-edge contact for three-dimensional discontinuous deformation analysis. Computers and Geotechnics, 2007, 34(2): 175-186

5.  Yeung MR, Sun N, Jiang QH, Blair SC. Sun. Analysis of large block test data using three-dimensional Discontinuous Deformation Analysis. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 41(3), 458-459

6. Yeung MR, Jiang QH, Sun N. Validation of block theory and three-dimensional discontinuous deformation analysis as wedge stability analysis methods. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2003, 40(2), 265-275


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