隧道开挖的BBM模拟---初始应力和边界条件

1 引言

在设置完材料属性后【隧道开挖的BBM模拟---材料属性(空间变异性)】，需要对模型的初始条件进行设置，主要包括施加原岩应力和边界条件，使模型达到初始平衡状态。

2 初始应力

对于深部地下开挖，由于与作用在模型上的应力数量相比，开挖顶部到底部重力应力的变化很小，因此可以忽略重力应力变化的影响，即不使用model gravity 0 0 -9.81命令，在这种情况下，重力加速度默认为0。初始应力设置使用block insitu stress命令。在很多情况下很难直接获得真实的原岩应力，必须对原岩应力作一定的假设，类似于FLAC3D中的应力假设方法【初始条件(Initial Conditions)中的原岩应力(block zone initialize)】。

block insitu stress -5e6 -5e6 -1e7 0.0 0.0 0.0

如果不用Range设置模型的子区域，那么σxx、σyy和σzz将应用于整个模型，也可以使用gradient-z等方向性的关键字设置成梯度变化的应力。不过这种设置不能保证应力处于平衡状态，可能存在三个方面的原因。第一，应力设置可能违反了分配给可变形块的非线性本构模型的屈服准则。在这种情况下，当使用model solve命令后，块体单元的塑性流动立即发生，应力将会重新调整；这种可能性可以通过命令plot block state来检查；第二，设置的应力状态可能会导致模型内沿节理的滑移或分离，这种可能性可以通过绘制子接触状态指出节理移动的位置；第三，模型边界预设的应力可能不等于设置的初始应力。在这种情况下，一旦使用model solve命令后，边界的网格点就会开始移动，可以通过使用绘制速度图来检查这种可能性。

另外，即使不使用model gravity 0 0 -9.81命令，如果不设置边界约束，在初始应力作用下，模型整体也会发生旋转和移动，不过在达到一定时步后这种运动就会停止，不会象在重力作用下无休止地向下运动。

3 边界条件

如上提及，如果模型不设置边界条件(或约束)，模型就会游离在空间中。对于深度地下开挖，需要在三个方向上都加上约束。

block gridpoint apply velocity-x 0

block gridpoint apply velocity-y 0

block gridpoint apply velocity-z 0

至此，应该可以使用model solve命令进行初始平衡计算，然而出现问题了。

4 出现的问题

当使用model solve命令开始计算时便出现一条错误信息："zero mass block(s) present - cannot cycle", 意思是模型中有质量为0的块体。不过，在材料属性设置中，已经对BBM和弹性围岩设置了密度(density)，理论上不应该出现这种错误信息。这个问题困扰了很长时间得不到解决方法，为此请教了一位对3DEC有经验的朋友，他觉得可能是使用的3DEC版本有点儿低，建议升级版本。不过，我觉得问题可能出现在BBM与弹性体的边界上，两种材料没有结合在一起(glue)，需要把两个group使用block contact group命令group-intersection，有对3DEC感兴趣的同学可以试验一下。