RFPA-2D 岩层移动版说明书

目录

第一章RFPA2D理论概述 (1)

1.1 RFPA2D基本概述 (1)

1.2 RFPA2D-Strata方法要点 (2)

1.3 RFPA2D-Strata介绍 (3)

第二章RFPA2D-Strata软件的特点概述 (4)

2.1 RFPA2D-Strata软件概述 (4)

2.2 RFPA2D-Strata方法的主要要点 (4)

2.3 RFPA2D-Strata软件基本原理 (5)

第三章RFPA2D-Strata安装指南 (18)

3.1系统要求 (18)

3.2 RFPA2D-Strata的安装 (19)

第四章RFPA2D-Strata简介 (21)

4.1 RFPA2D-Strata的开发背景 (21)

4.2如何获得帮助 (21)

4.3如何购买 (21)

第五章RFPA2D-Strata菜单 (23)

5.1 RFPA2D-Strata计算步骤 (23)

5.2 RFPA2D-Strata工作平台的装入 (23)

5.3 RFPA2D-Strata工作条介绍 (26)

5.4 RFPA2D-Strata颜色灰度调整 (28)

5.5 RFPA2D-Strata网格划分 (29)

5.6 RFPA2D-Strata强度特性设置 (30)

5.7 RFPA2D-Strata力边界条件设置 (31)

5.8 RFPA2D-Strata控制条件设置 (32)

5.9 RFPA2D-Strata系统自定义 (33)

5.10 RFPA2D-Strata基本设置 (40)

5.11 RFPA2D-Strata经典算例 (43)

第六章RFPA2D常见问题 (55)

6.1软件安装问题与解答 (55)

6.2软件操作问题与解答 (60)

6.3软件高级运用及解答 (65)

第一章RFPA2D理论概述

1.1RFPA2D基本概述

岩石（岩体）是地质、采矿、石油、水利等部门经常涉及的最基本的天然材料。天然的岩体是非连续、非均质、非弹性、各向异性的介质。它具有时效性、记忆性和对环境的依赖性。尽管经典力学推衍了诸多的理论公式，但面对复杂的工程岩体材料仍显得无能为力。在许多实际工程当中，依据理想化的模式计算出的诸如岩体变形、破坏和强度等与实际相差甚远。煤矿岩爆、瓦斯突出、采场顶板垮落、水坝开裂、岩土边坡失稳、地震等众多灾害性事故的发生，不仅给国家和人民财产造成了巨大损失，同时也表明，人类目前尚缺乏对岩石（岩体）材料的不规则性、复杂性和物理力学非线性本质的认识和解决这些问题的方法，致使许多岩石力学问题无法定量或定性地予以解释和分析。

岩石力学问题，广义讲包括岩石破坏问题。岩石之所以产生非线性变形，就是因为岩石在受载过程中其内部不断产生微细破裂。这种微细破裂的不断发展便导致最终的宏观破裂。通常的有限元方法尽管可以模拟岩石的非线性变形，但只是在宏观行为上的一种―形似‖，而没有模拟出岩石在变形过程中的微破裂进程，因而不能做到―神似‖。

为了解决岩石破裂过程的分析，采用有限差分法、有限单元法、

边界元法、半解析元法、离散元法等数值模拟方法在全面解决复杂的岩土工程问题，例如岩土材料的非线性问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响、分步开挖与充填施工作业对围岩稳定性的影响等方面都不同程度的存在缺陷。1995年，软件系统创始人唐春安教授针对这些问题提出了基于有限元基本理论，充分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀性和各向异性等特点的新的数值模拟方法―RFPA（Realistic Failure Process Analysis）方法‖，即真实破坏过程分析方法。

1.2RFPA2D-Strata方法要点

1、将材料的非质性参数引入到计算单元，宏观破坏是单元破坏的积累过程。

2、认为单元性质是线弹-脆性或脆-塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态分布、韦伯分布、均匀分布等。

3、认为当单元应力达到破坏的准则发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非连续介质问题。

4、认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。

RFPA数值模拟方法同时还认为：

1、将材料的不均匀性当单元变形使应力达到一定强度值时即作破坏处理（即假定单元性质近似为弹脆性的，但由于考虑了材料

的非均匀性，材料的宏观性质则可能是具有软化或弱化关系的非线性性质）。

2、破坏单元不具备抗拉能力，但具备一定的抗挤压能力。

3、材料的非均匀性可以通过单元力学参数分布的非均匀性来表达。

4、破坏单元的力学特性变化是不可逆的。

5、基元相变前后均为线弹性体。

1.3RFPA2D-Strata介绍

RFPA2D-Strata是继RFPA2D-Basic版推出的，主要面向岩土工程的应用分析。新版的RFPA2D-Basic版引入了松散系数，实现了对冒落岩体碎胀的模拟再现，使得岩层移动（垮落）的模拟更加符合实际。利用该版本可对地下工程诱发的地表沉陷、岩层移动、巷道破坏、顶板冒落等工程灾害展开应力场、位移场及声发射模式（微震）的实时监测。如：(1) 采矿诱发的岩层移动规律模拟分析；(2) 地下工程施工诱发的地表沉陷计算模拟分析；(3) 隧道群的变形破坏过程计算模拟分析。

第二章RFPA2D-Strata软件的特点概述

2.1RFPA软件概述

真实破裂过程分析（Realistic Failure Process Analysis）〔简称：RFPA〕，RFPA软件是基于RFPA方法（即真实破裂过程分析方法）研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论，该方法考虑了材料性质的非均性、缺陷分布的随机性，并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法（有限元法）中，对满足给定强度准则的单元进行破坏处理，从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。因RFPA 软件独特的计算分析方法，使其能解决岩土工程中多数模拟软件无法解决的问题。

RFPA是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均匀性，是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法。

2.2 RFPA2D-Strata方法的主要要点

1）将材料的不均质性参数引入到计算单元，宏观破坏是单元破坏的积累过程。

2）认为单元性质是线弹-脆性或脆-塑性的，单元的弹模和强度等其

他参数服从某种分布，如正态、韦伯、均匀等。

3）认为当单元应力达到破坏的准则将发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非线性介质问题。

4）认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。

2.3 RFPA2D-Strata软件基本原理

1）基于弹性损伤理论

RFPA是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的真实破裂过程分析系统。其基本思路是：

材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，材料介质在细观上是各向同性的弹-脆性或脆-塑性介质；

假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（如weibull分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系；

按弹性力学中的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应变状态。RFPA利用线弹性有限元方法作为应力求解器；

引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元的相变临界点用修正的Coulomb准则；

基元的力学性质随演化的发展是不可逆的；

基元相变前后均为线弹性体；

材料介质的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力的影响。

2）网格划分

非均匀介质单元划分标准：

从提过计算速度的角度讲：自然是单元取得大些比较合适，但较大的单元不仅不能反映细观非均匀的力学性质，使模型不能很好地反映工程实际，而且较大的单元尺寸本身也会给计算带来较大的误差。

从计算精度的角度讲：在计算机速度允许的情况下，应尽可能的将单元划分得小些，这样不仅能够使模型更加真实地反映实际，而且也有利于提高计算的精度。

单元大小的划分标准：根据精度，是否将单元划分的越小越好呢？未必！大家知道，在断裂力学中，为了数学处理的方便，裂纹的两端被假设为无穷小的尖端。然而，按照这一假设，所计算出的裂纹尖端处的拉应力为无穷大。这意味着什么？意味着只要给定任意有限值得加载，裂纹便会迅速扩展，这显然是与实际情况不相符的。造成这一错误结论的原因是，在现实的介质特别是岩石介质中，裂纹尖端实际上是有一定尺度的。这一尺度是与介质的基本细观性质有关的，我们称之为介质的细观特征尺度。因此，单元大小的划

分标准为：只要数值模型中的单元尺寸能够反映或者基本反映这种细观特征尺度，那么该模型的单元尺寸就是合理或者基本合理的。

RFPA选取等面积四节点的四边形单元剖分计算对象。为了使问题的解答足够精确，RFPA方法要求模型中的单元足够小（相对于宏观介质），以能足够精确的地反映介质的非均匀性。但它又必需足够大（包含一定数量的矿物和胶结物颗粒，以及微裂隙、孔洞等细小缺陷），因为作为子系统的单元实际上仍是一个自由度很大的系统，它具有远大于微观尺度的细观尺度。这以要求正是为了保证使剖分后的单元性质尽量接近基元性质。尽管这样会增加计算量，但是问题的处理变得简单，而且随着计算机技术的高速发展，计算机瓶颈的影响将会逐渐消除。

由于模型中的基元数量足够多，宏观的力学行为，本质上是介质大量基元力学行为的集体效应。但是每个基元的个体行为对宏观性能的影响却是有限的。正如夏蒙棼（1995）所指出的：―对单个个体的力学性能作详尽无遗的描述不仅不可能，而且也不必要，只需给出一个详略得当的描述即可‖。RFPA系统正是基于这种原则对基元的力学行为进行描述的。

3）基元赋值

基元的引入：

细观力学认为：通过细观单元的变形、破坏的个体行为的积累

来反映宏观行为的演化，为研究介质变形和破裂的宏观行为提供了一种新的途径。所谓的基元，是构成介质的基本细观尺度单元，是在物理力学性质方面能够代表介质特征的最小单元。在岩石破裂过程分析RPFA系统中，为了能够充分考虑介质力学性能的非均匀性以及由这种非均匀性引起的变形、破裂过程的复杂性，我们引入了三种特性的基元，即基质基元、空气基元和接触基元。

基质基元；是指基元在模型中的当前功能为实体介质。它的性能由岩石的本构关系来描述。

空气基元；是指基元在模型中的当前功能为虚体特性。当单元介质在拉应力条件下发生断裂后，形成断裂面。就断裂面的物理本质而言，也就是应力的传递在此出现不连续或中断。通常的数值计算方法解决这一问题的方法是将单元中的节点分开，或者是将单元从模型中去掉。但是，这样做的结果使得模型的数学处理变得极其复杂，而且一般不适合多裂纹、特别是多裂纹相互交叉的情形。RFPA 系统采用的裂纹处理方法，即空气基元。当基元介质发生断裂后，我们不是将该单元从模型中去掉，而是用弹模极低的基元性质取代原有的实体基元的性质，由于新的基元弹模极低，可以近似的认为实体介质的行为已不存在，这样在不改变模型数学结构的前提下，却可以使得模型在总体特性上能够反映出因基元破裂而引起的物理特性的改变。

接触基元；压、剪破坏后的基元在一定范围内维持残余强度状

态。但是，对于现实中的介质来说，破坏后的介质在继续受压应力、特别是各向均受压应力的条件下，将出现所谓的压密或压实现象，其力学表现则是压密后的介质刚度不仅不降低，反而出现上升。从而引入了接触基元。

所谓基元的相变，三种基元在一定条件下，将由一种突然转化为另一种，这种其力学性质全然改观，叫做相变。其临界条件即为相变点。

RFPA 方法中假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（如Weibull 分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系。如我们引入Weibull 统计分布函数来描述，即：

()()m m e m ???? ??--??=0010αααααα? （2-1）

式中：α——材料（岩石）介质基元体力学性质参数（弹模、强度、泊松比、自重等）；

0α——基元体力学性质参数的平均值；

m ——分布函数的性质参数，其物理意义反映了材料（岩石）介质的均匀性，定义为材料（岩石）介质的均匀性系数，反映材料的均匀程度；

()α?——是材料（岩石）基元体力学性质α的统计分布密度。

式（2-1）反映了某中材料（岩石）细观力学性质非均匀性分布情况。随着均质度系数m 的增加，基元体力学性质集中于一个狭窄的范围之内，表明材料（岩石）介质的性质较均匀；而当均匀性系数m 值减小时，则基元体的力学性质分布范围变宽，表明介质的性质趋于非均匀。图2-1给出了不同均匀性系数材料（岩石）介质的弹性模量或强度的分布图（α代表弹性模量或强度等力学性质参数）。

图2-1 具有不同均匀性系数材料基元体力学性质分布形式 以弹性模量为例介绍RFPA 中模型基元体力学性质参数的赋值：设模型中所有基元的弹性模量平均值为0E ，)(E φ代表了具有某弹性模量E 基元的分布值，基于式（2-1）弹性模量Weibull 分布函数的积分为：

()e e E dx m dx x E m

e m m e ???? ??-=???? ????==-???? ??--??010)()(01000αααα?φ （2-2）

其中，)(E φ为具有弹性模量E 的基元的统计数量。由式（2-2）统计分布构成的基元组成一个样本空间，在均值0E 不变的情况下，由于m 值的差别，积分空间分布不一样。这些基元构成的材料介质的细观平均性质可能大体一致（0E 相同），但是由于细观结构的无序性，使得基元的空间排列方式有显著的不同。这种细观上的无序性正好体现了岩石类介质独特的离散性特征。

图2-2

不同均质度介质弹性模量空间分布形式与对应的分布图

（a ）m=2；（b ）m=5；（c ）m=10

图2-2是三种不同均质度介质RFPA 的随机赋值的弹性模量的分布形式。图中基元的灰度代表了弹性模量值的大小，灰度越高，

（a ） (a ’)

（b ） (b ’)

（c ）

(c ’)

弹性模量值越高，反之，则越低。由于均质度系数越低，图2-2（a）中的基元弹性模量值相差很大，表现出很强的离散性；由于均质度系数越高，图2-2（c）中基元之间弹性模量值差别小，整体上灰度趋于一致。图2-2（a’）－（c’）反映了某种介质弹性模量非均匀性分布情况。其中横坐标表示弹性模量单位，纵坐标表示分布所占的单元数。随着均匀性系数m的增加，基元体的弹性模量将集中于一个狭窄的范围之内，表明弹性模量分布较均匀；而当均匀性系数m 值减小时，则基元体的弹性模量分布范围变宽，表明弹性模量分布趋于均匀。

4）应力计算

在RFPA系统中，整个分析对象被离散成若干具有不同物理力学性质的基元，为了求解各个基元的应力、应变状态，各基元之间需要满足力的平衡、变形协调和一定的应力、应变关系（物理方程）。在众多有关应力、应变的数值计算方法中，有限元是最理想的一种数值计算方法之一。它是将一个连续的介质离散成由诸多有限大小的单元组成的结构物体，然后通过力的平衡方程、几何方程、物理方程求解各个离散体的力学状态。因此，在RFPA系统中利用有限元作为应力分析求解器。当然也可以选用其它的数值计算方法作为应力分析求解器。应力分析求解器相当于一个应力计算器，它完成外载荷作用下对象内部各基元的应力、应变状态的计算工作。

5）相变分析

在RFPA系统中，通过应力求解器完成各个基元的应力、应变计算后，程序便转入相变分析。相变分析是根据相变准则来检查各个基元是否有相变，并依据相变的类型对相变基元采用刚度特性弱化（如裂缝或分离）或刚度重建（如压密或接触）的办法进行处理。最后形成新的、用于迭代计算的整体介质各基元的物理力学参数。

在RFPA系统中，应力计算和相变分析相互独立，应力求解器仅完成应力、应变计算，不参与相变分析。

6）RFPA程序流程图

RFPA程序工作流程主要由以下三部分完成：

实体建模和网格划分。用户选择基元类型（实体、支护或空洞），定义介质的力学性质，进行实体建模和网格剖分；

应力计算。应力、应变分析，依据用户输入的边界条件和加载控制参数，以及输入的基元性质数据，形成刚度矩阵，求解并输出有限元计算结果（应力、节点位移）；

基元相变分析。根据相变准则对应力求解器产生的结果进行相变判断，然后对相变基元进行弱化或重建处理，最后形成迭代计算刚度矩阵所需的数据文件；

整个工作流程可见下图，对于每个给定的位移增量，首先进行应力计算，然后根据相变准则来检查模型中是否有相变基元，如果没有，继续加载增加一个位移分量，进行下一步应力计算。如果有

相变基元，则根据基元的应力状态进行刚度弱化处理，然后重新进行当前步的应力计算，直至没有新的相变基元出现。重复上面的过程，直至达到所施加的载荷、变形或整个介质产生宏观破裂。在RFPA 系统执行过程中，对每一步应力、应变计算采用全量加载，计算步之间是相互独立的。

RFPA程序流程图

第三章RFPA2D-Strata安装指南

欢迎使用由大连力软科技有限公司（Mechsoft）推出的真实破坏过程分析数值计算软件RFPA2D-Strata软件系统for Windows'2000/NT/XP/Windows7。

3.1系统要求

为能确保您的软件成功安装及顺利完成您的计算问题，并把您的成果更好的展现出来，您应拥有至少下列配置的机器。

硬件

◆ CPU: PentiumⅢ或以上配置的各种原装、兼容机

◆至少512MBRAM

◆ 5GB可用磁盘空间

◆ 256彩色或24位真彩监视器，最好显示卡有64M以上显存

◆ CD-ROM

◆彩色打印机（可选）

软件

◆ Microsoft Windows2000/NT/XP/Windows7