湖南高速铁路职业技术学院 421002
摘要：随着岩土工程领域的不断扩展与延伸， 岩土力学数值分析方法得到了迅速发展， 出现了各种各样的数值分析方法。将岩土力学常用的数值分析方法分为连续变形分析方法与非连续变形分析方法两大类， 对各种方法的研究现状和最新进展进行了评述， 着重介绍了各种方法的优缺点， 并提出了解决问题的思路、方法和建议。
关键词：岩土力学; 数值分析方法; 连续变形; 非连续变形
0引言
岩石和土都是经历过变形、遭受过破坏的地质体， 受其成因、组成、结构、演化过程、生成年代及其所处的大地构造环境等诸多因素的影响， 岩土材料具有高度的非连续性、非均匀性和各向异性等鲜明的地质特征， 在力学性质上表现出强烈的非线性和非弹性。岩土工程是一门综合应用岩石力学、土力学、工程地质学与基础工程学等基本知识和手段解决实际工程建设中有关岩体与土体变形及稳定问题的学科， 它的主要任务是在极其复杂的地质条件。
1数值分析方法研究评述
1.1 连续变形数值分析方法
这类方法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法、无限元法等， 其中以有限元法应用最为广泛，这类方法主要分析岩土介质的连续小变形和小位移特性。有限元法在连续性分析方面取得了很大的成功， 但在解决前处理问题、应力与应变解答不连续问题和进行任意路径开裂计算等方面还存在着一些局限。为了充分考虑岩土介质的非连续性、非均匀性和多相性等物理特性，必须对这些连续变形分析方法，特别是有限单元法进行深入的改进和发展。
以连续介质大变形分析为目的的拉格朗日元法在实际工程中也得到了较好的应用。拉格朗日元法运用流体力学中跟踪质点运动的物质描述方法， 即拉格朗日拖带坐标系方法，利用差分格式， 按显示时步积分方法进行迭代求解，根据构形的变化不断更新坐标系，以此模拟岩土介质的有限变形和大位移行为。
1.2 非连续变形数值分析方法
1.2.1 界面单元有限元法
界面单元有限元法将岩土介质视为准连续介质， 仍以连续分析为主， 但可以对个别具有控制作用的宏观非连续面的变形与破坏力学行为进行重点分析， 在工程中得到了广泛应用。同时， 该方法也存在诸多的局限性， 如只能对原生的非连续界面进行计算， 对次生的非连续界面无法进行处理、界面单元数目不能设置太多、界面弹簧刚度的选取较为困难等。因此， 该方法在处理复杂的非连续变形问题时仍显得无能为力。
1.2.2 刚体—弹簧模型或刚性有限元法
刚体—弹簧模型将离散后的块体视为刚体，块体之间用界面上的法向弹簧和切向弹簧相联结，以块体形心处的刚性位移为基本变量，用分片的刚体位移模式逼近实际整体位移场， 以块体间的联结弹簧反映结构内部的弹性，并用界面应力表征结构内部的应力。这类模型主要包括刚体—弹簧模型(RB-SM)、刚性有限元、分块刚体位移，界面应力元和块体，弹簧模型等。此类模型的界面特性均服从Coulomb摩擦定律，对体系的静力学约束条件考虑得比较充分， 在连续状态的应力分析方面可给出较高的计算精度，对于临界状态能够估算出极限荷载，并可有效的用于少量块体界面间的摩擦接触分析。但这类方法过分强调岩土体结构面的作用，对结构体的变形没有给予足够重视。虽然这种方法可以用于原生界面的破坏分析， 但不能模拟实际岩土体的破坏发展过程， 也无法模拟破坏发展导致的次生界面的非连续变形行为和块体失稳后的运动过程。
1.2.3 基于块体理论的非连续变形分析方法
基于块体理论的非连续变形分析方法主要以离散块体系统为研究对象， 针对岩土体的非连续与非均匀的特点，将岩土体视为完全非连续介质， 对构成离散系统的各个子块的运动和变形进行数值分析。
其中研究较多且具有代表性的方法有离散单元法、非连续变形分析方法和流形元方法等。离散单元法( DEM) 是由美国学者 Cundall 等提出的。它是以被软弱结构面切割而成的离散块体为基本单元进行分析的， 在块体间的接触约束下运用牛顿运动定律描述各块体的运动过程。离散单元法可分为动态松驰法和静态松驰法两种。
1.2.4 流形方法
有限单元法将岩体理想化为完全连续介质，离散单元法等则将岩体抽象为完全非连续介质即离散介质，这其实是走向了问题的两个极端。将连续变形与非连续变形统一起来的方法将更适于进行实际岩土体变形的分析。因此，近年来另一种更新的数值方法流形方法引起了国内外学者的广泛兴趣。
由于流形方法可在统一的理论框架下处理连续与非连续性变形问题而引起了许多学者的兴趣， 成为目前计算岩土力学的热门课题。流形方法的优点主要表现在它具有相对完善的非连续变形处理功能， 可以在统一的数学理论框架同时处理连续问题与非连续问题。流形方法较有限单元法更适于进行开裂模拟， 但由于受网格连接与单元划分的限制， 流形方法在开裂计算上仍存在一定的困难。
2 结论
随着岩土工程领域的不断扩展与延伸，数值分析方法得到了长足的发展，分析模式不断改进，分析精度不断提高。但岩土工程材料是一种复杂的地质材料，具有高度非连续性、非均匀性以及各向异性等地质特点，在力学性质上表现出强烈的非线性、非弹性等力学行为。因此，只有不断改进数值分析的思路与方法，使其能更好的模拟实际岩土材料的工程力学性质，才能更好的指导岩土工程实践。无单元类方法的无网格技术和流形方法的有限覆盖技术是近年来新兴数值分析方法中独具特色的新技术。前者无需有限单元网格划分，对求解域的剖分仅用一系列点进行，此法简单易行，特别适于进行断裂扩展分析。后者经大量计算表明是一种切实可行的统一处理连续与非连续变形问题的有效途径。两种方法各有优点，互补性很强。连续与非连续变形统一分析技术、裂纹扩展分析的无单元技术和非连续变形分析方法中的散体接触、运动处理算法等将为发展新兴的更为综合的数值算法提供极好的工具和思路，将会有力的推动计算力学与计算岩土力学的发展。
参考文献
[1]孙广忠.岩体结构力学. 北京: 科学出版社，1988
[2]陶振宇.试论岩石力学的最新进展.力学进展，1992，22( 2) : 161~ 172
[3]常士骠.我国岩土工程回顾与展望.水文地质工程地质，1993，20(1): 23~ 26
[4]哈秋聆.三峡工程中的若干力学问题.力学进展，1994，24(4) : 433~ 439
[5]杨志法.关于岩石力学当前发展战略的一些看法.岩土工程学报， 1994，16( 1) : 112~ 113 2 丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制法以及性能分析
2.1 丁苯树脂的固化和凝胶化
本节主要针对三种乙烯基单体的交联剂对聚合物丁苯树脂的反应温度、最小固化时间以及凝胶速度进行测定，并通过下图来分析几者之间的关系（如图1、图2所示）。
图1 乙烯基单体交联剂对聚合物丁苯树脂的最小固化时间影响
2.2 引发剂对聚合物丁苯树脂固化、凝胶化的影响
引发剂是乙烯基单体与丁苯树脂进行交联过程中采用的重要材料，常用的引发剂主要有过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基等，当然，引发剂的使用不仅局限在单一的材料，可同时采用两种或两种以上的材料混合物作为引发剂[2]。通过大量的实验证明，如果增加引发剂的浓度，那么，聚合物丁苯树脂的固化、凝胶的速度也会加快；如果引发剂浓度大于4%的话，对丁苯树脂的固化以及凝胶不会造成太大的影响，而在引发剂浓度低于2%的话，就会造成丁苯树脂材料得不到充分的硬化。另外，在使用引发剂的过程中，要注意对浓度的控制，因为浓度过大就会产生放热剧烈的现象，会导致丁苯树脂中形成大量的气泡，这对聚合物工艺成型极为不利，正常来说引发剂浓度选择4%为最佳浓度，不仅有利于工艺成型，还能增强玻璃纤维塑料的性能[3]。
图2 乙烯基单体交联剂对聚合物丁苯树脂的凝胶时间影响
2.3 丁苯树脂交联固化的性能
丁苯树脂玻璃纤维增强塑料被很多行业所使用，其中热稳定性相对来说比较重要。将丁苯树脂与引发剂、交联剂等材料混合之后，再对其进行加热固化，并将其固化的产物进行粉碎筛选，筛选孔要根据实际情况进行选取，一般采用80~100孔/时2，将筛选成粉状树脂之后放到热天平中，并以每小时100℃的升温速度对丁苯树脂进行加热，在大旗下的热失重对丁苯树脂的热稳定性进行评价[4]。通过评价实验分析，丁苯树脂的热稳定性在大气下的温度热分析大致为235℃~255℃，在本次的分析中，丁苯树脂的温度前后相对失重在1.3%~2.4%。另外，针对丁苯树脂交联固化物的电性能、机械性能进行分析，具体如下表（如表2所示）：
表2 丁苯树脂交联固化物的电性能、机械性能分析
表3 丁苯树脂玻璃纤维塑料性能分析
2.4 丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制造工艺
丁苯树脂玻璃纤维增强塑料的制造工艺一方面要注重胶料的配置比例，另一方面就是成型工艺。对于胶料配置比例来说，其中采用的材料有多种，如，乙烯基甲苯40%、过氧化二异丙苯2%、过氧化环已酮2%、过氧化二叔丁基2%、丁苯树脂60%、二乙烯基苯7%。胶料配置比例非常重要，要严格按照相关工艺进行配置，否则会对后期的成型工艺造成影响。对于成型工艺来说，要先将通过有机硅烷处理过的玻璃布按照要求剪成指定的大小，并用烘箱将玻璃布中表面的水分烘干，再将丁苯树脂胶液均匀的涂抹到已经处理好的玻璃布上，按照要求用玻璃纸作出脱模剂，将交叉重叠后多余的的丁苯树脂以及产生的气泡进行有效的控制，然后再将其放入烘箱中进行加入固化处理，在这里需要注意的是固化条件要符合标准，否则很难成型，首先要将烘箱设置到80℃，并支持8小时左右，其次在将温度升高至100℃，持续2小时加热，再将温度升高至120℃，加热持续2小时，再次将温度提升至150℃，持续加热16小时至24小时，最后将烘箱温度升高至175℃，持续加热1小时之后，让成型的材料冷却至室温既可将其取出投入使用[5-6]。
2.5 丁苯树脂玻璃纤维塑料的性能
针对丁苯树脂玻璃纤维塑料的性能来说，其胶量含量为36%~39%，比重为1.55~1.69，玻璃纤维塑料性能分析具体如下表（如表3所示）：
结束语
本文主要针对于丁苯树脂的合成及其玻璃纤维增强塑料进行了相关方面的分析和研究，通过本文的探讨，我们了解到，丁苯树脂在玻璃纤维增强塑料中应用的极为广泛，通过对丁苯树脂合成方面知识的了解，能够进一步做好玻璃纤维增强塑料的制造，促进化塑行业的良好发展。
参考文献
[1]陶婉蓉,赵玉庭,张炳玉,项慧卿.丁苯树脂固化过程中引发剂协同作用的研究[J]. 玻璃钢复合材料. 2012(03).
[2]崔小明.巴陵石化本体聚合丁苯树脂实现“绿色”突破[J]. 橡胶科技市场. 2009(18).
[3]朱福海.新型的丁苯共聚树脂[J]. 现代塑料加工应用. 2011(01).
[4]李晓娜.巴陵石化公司本体聚合丁苯树脂实现“绿色”突破[J]. 石化技术. 2012(03).
[5]张慧萍,郭伟民,魏晓霞,阎新明,卢彩兰. 丁二烯树脂的合成及其玻璃钢的研究[J]. 玻璃钢/复合材料. 2012(01).
[6]叶建泉,余庆海,徐文凯.丁苯橡胶乳化剂-脂肪酸的生产[J]. 日用化学工业. 2011(02).
论文作者:张长科1,陈超2
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/6
标签：树脂论文; 方法论文; 丁苯论文; 岩土论文; 力学论文; 块体论文; 数值论文; 《基层建设》2016年27期论文;