1.3 非连续介质力学数值方法的几个关键问题

以上这些基于非连续介质力学的数值分析方法在模拟岩体力学特性表现出传统数值分析方法无法比拟的优势，但是要想达到有限元法、有限差分法等数值分析方法在岩体工程中的应用广度和深度，还有很多问题需要研究。

对于离散单元法和不连续变形分析而言，本身包含三部分内容^［136］，即块体系统的拓扑识别问题；单个块体（刚体或变形体）运动方程建立与求解；伴随着块体运动和变形，块体间的接触关系需要不断地判别和更新。其中，岩石块体识别和接触搜索问题既是DEM、DDA与连续介质力学数值分析方法的最大区别，同时也是制约三维DEM和三维DDA发展的关键问题。由于这些方法的基本计算单元是由结构面切割而成的具体岩石块体，它们形态复杂，如何有效识别出来是一个比较棘手的问题。另外就是接触搜索问题，这是困扰大部分非连续介质力学分析方法发展的瓶颈问题。目前，对于凸块之间搜索，已经有比较成熟的算法^{［31，39，40］}；但对于一般块体之间的接触搜索问题，因其接触关系的复杂性还需要进一步深入研究。

对于数值流形方法而言，目前的研究与应用主要限制在二维领域，三维领域则相对较少。制约三维数值流形方法发展主要存在三个问题^［137］，即覆盖函数的定义及三维数值流形单元生成问题、三维接触判断问题以及三维接触应力—应变关系问题。对于数值流形单元生成问题，石根华博士在其开发的二维数值流形分析程序中采用了基于二维不连续变形分析中的块体切割技术来确定二维流形网格；然而对于三维问题，目前尚无成熟的流形元网格划分方法。另外，对于二维接触问题，剪应力和摩擦力的方向可以沿着接触棱边来确定，但对于三维接触而言，如何确定接触力或接触应力的初始方向是一个比较麻烦的问题。

另外，采用离散裂隙网络模型研究岩体三维裂隙网络的渗流问题也存在两个关键问题^［138］，一是根据裂隙网络获得相应的渗流网络，这种背景下的渗流模型就不需要对结构面发育特征进行假设或简化，因此真正具备工程现实意义；二是对于裂隙面上的二维面状流，如何计算任意形态区域的渗流问题。

综合以上可知，这些非连续介质力学数值分析方法的研究对象是岩体中被结构面切割而成的岩石块体或者是组成岩石块体的裂隙面，这是与传统数值分析方法（如有限元、有限差分法等）的显著不同。正是这个不同，给这些方法带来一系列麻烦问题，如块体之间的接触搜索问题、接触力或接触应力的方向确定问题以及沿块体边界面的渗流求解问题等。

由此可见，如何根据实际工程中的裂隙网络来识别出这些形态复杂的岩块或岩体的渗流面（即基本计算单元）是这些非连续介质力学分析方法所面临的首要问题，也是非常重要的问题。