公 众 号开播2周年---基于号内文章的数值模拟技术回顾
1 引言
今天，2022年5月8日，是本公 众 号《计算岩土力学》开播整整两周年的日子，在这两年内我共写了大约660篇与岩土工程相关的短文(按照公 众 号 记录，迄今为止共有795篇文章，其中包括了大约80篇与钢筋混凝土设计相关的文章以及发布的一些广告文章)。《计算岩土力学》主要讨论的是采矿工程、土木工程和地质工程中的岩土力学问题，涉及边坡、地基、地下开挖、岩土地震工程等领域，大部分内容与我过去和现在的经历相关。这些短文大都没有经过事先准备而是即兴发挥一蹴而就完成的，因此与专业论文写作相比，在思路与措辞上可能存在着不严谨甚至错误之处。
《计算岩土力学》的主要阅读群体是在校学生和工程师。如果按照读者所处的地域来划分, 根据概率统计，排名前10位的城市为：(1)北京; (2)成都; (3)西安; (4)武汉; (5) 长沙; (6)上海; (7) 重庆; (8)南京; (9) 广州; (10) 昆明。这从一个侧面也反映出目前国内岩土工程研究和实践的地区活跃程度。
尽管这660篇短文讨论了宽广的岩土工程话题，但主要内容集中在《计算岩土力学》，用我们的行话称作"数值模拟(Numerical Modeling)"。本文仅结合公 众 号内的文章，简要回顾了数值模拟技术在岩土工程特别是在岩石工程领域的应用研究。
2 数值模拟方法
(1) 极限平衡法。首先需要说明的是早期的极限平衡法(LEM)不能算标准的数值模拟方法，因为它依据简单的静力平衡原理计算安全系数，不过现代的LEM已经发展得非常复杂，不仅考虑了地下水、锚固力、地震力、外载荷等因素，在滑动面类型和搜索算法上加入了许多非常复杂的算法，而且可以做到与有限元计算进行耦合，因此现在的LEM实际上可以认为是一种数值模拟方法。LEM广泛应用于各类岩土边坡、堤坝和挡土墙的稳定性分析。我们的公 众 号里大约有66篇文章涉及到LEM的讨论，其中"极限平衡"Top 3的文章为：
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(2) 有限元法。岩土工程中最早发展起来的数值模拟方法是有限元法(FEM), 有限元法把岩土体作为连续介质来对待，尽管FEM中可以考虑岩体的不连续或岩土体与结构的相互作用，但整体的计算框架仍然基于有限元。按求解方法来划分，FEM又可以分为隐式解法(Implicit)和显式解法(Explicit)。使用隐式解法代表性的有限元软件有Plaxis, RS2, RS3和GTS NX，使用显式解法代表性的有限元软件是LS-Dyna和Abaqus/Explicit，尽管这两个软件不是专用的岩土工程软件。在我们的公 众 号里，大约有80篇文章涉及到有限元的讨论，其中"有限元" Top 3的文章为：
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(3) 有限差分(体积)法。在连续性岩土模拟中，最典型的有限差分法软件是FLAC和FLAC3D。不过，这两个软件目前全部改用为有限体积元。由于FLAC和FLAC3D使用的是显式解法，因而很容易处理大变形和高度非线性的材料行为包括动态解。
读者问题: FLAC是有限差分吧？不是有限体积。
作者回答：早期的FLAC使用了有限差分网格，现在的FLAC已经全部改用为有限体积网格啦。
读者问题: 有限体积适合大变形，估计是为了好算
作者回答：为了适应非结构化网格。
读者问题: 原来是这样，FLAC从哪个版本调整的？
作者回答：FLAC3D和3DEC从6.0开始试验，FLAC从8.0开始试验，即将推出的FLAC2D 9.0全面改用有限体积元，不再使用以(i,j)表示的有限差分网格。
在我们的公 众 号里，有213篇文章涉及到FLAC3D，其中"FLAC3D" Top 3的文章为：
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(4) 边界元法。在硬岩地下采矿中，主要关心的是岩体的应力集中，因而边界元法还在实践中继续使用，代表性的软件为Map3D和EX3。在我们的公 众 号里，有13篇文章涉及到边界元，其中"边界元" Top 3的文章为：
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(5) 耦合法。耦合法的基本思想是在开挖围岩附近使用离散元，在远域使用有限元或边界元，典型的软件有Irazu, Elfen和3DEC。
(6) 离散元法。岩体是不连续的，隐式的块体解决方法是DDA【石根华的Discontinuous Deformation Analysis (DDA)文献聚合】,显式的块体解决方法是UDEC，3DEC和PFC。UDEC的Top 3文章为：
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3 发展方向
尽管数值模拟技术有不同发展方向，但我们将侧重以下一些应用研究：
(1) 基于Geometry的三维数值模型建立【使用Geometry建立三维极限平衡边坡模型】
(2) 三维稳定性概率分析【Updated---边坡稳定性概率分析数据集(Probabilistic Approach)】
(3) 离散断裂网络和合成岩体【岩石破碎(Rock Fragmentation)的数值模拟(block fragment compute)】
(4) 岩体破坏路径(Step-Path)【岩石破坏路径的搜索算法】
(5) 新的数值模拟技术，例如【离散格点方法(Lattice-Spring Method)】和【材料点法(MPM)隐式接触技术的发展】。
