有限單元法的優缺點:有限單元法的理論基礎是虛功原理和基於最小勢能的變分原理,它將研究域離散化,對位移場和應力場的連續性進行物理近似。有限單元法適用性廣泛,從理論上講對任何問題都適用,但計算速度相對較慢。即,物理概念清晰、靈活、通用、計算速度叫慢。
有限差分法:該方法適合求解非線性大變形問題,在巖土力學計算中有廣泛的應用。有限差分法和有限單元法都產生壹組待解方程組。盡管這些方程是通過不同方式推導出來的,但兩者產生的方程是壹致。另外,有限單元程序通常要將單元矩陣組合成大型整體剛度矩陣,而有限差分則無需如此,因為它相對高效地在每個計算步重新生成有限差分方程。在有限單元法中,常采用隱式、矩陣解算方法,而有限差分法則通常采用“顯式”、時間遞步法解算代數方程。
邊界元法:該方法的理論基礎是Betti功互等定理和Kelvin基本解,它只要離散求解域的邊界,因而得到離散代數方程組中的未知量也只是邊界上的量。邊界元法化微分方程為邊界積分方程,離散劃分少,可以考慮遠場應力,有降低維數的優點,可以用較少的內存解決較大的問題,便於提高計算速度。
離散元法:離散元法的理論基礎是牛頓第二定律並結合不同的本構關系,適用對非連續體如巖體問題求解。該方法利用巖體的斷裂面進行網格劃分,每個單元就是被斷裂面切割的巖塊,視巖塊的運動主要受控於巖體節理系統。它采用顯式求解的方法,按照塊體運動、弱面產生變形,變形是接觸區的滑動和轉動,由牛頓定律、運動學方程求解,無需形成大型矩陣而直接按時步叠代求解,在求解過程中允許塊體間開裂、錯動,並可以脫離母體而下落。離散元法對破碎巖石工程,動態和準動態問題能給出較好解答。
顆粒元法:顆粒元方法是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用,它采用數值方法將物體分為有代表性的多個顆粒單元,通過顆粒間的相互作用來表達整個宏觀物體的應力響應,從而利用局部的模擬結果來計算顆粒群群體的運動與應力場特征。 不連續變形分析方法:該方法是並行於有限單元法的壹種方法,其不同之處是可以計算不連續面的錯位、滑移、開裂和旋轉等大位移的靜力和動力問題。此方法在巖石力學中的應用備受關註。
流形元法;該方法是運用現代數學“流形”的有限覆蓋技術所建立起來的壹種新的數值方法。有限覆蓋是由物理覆蓋和數學覆蓋所組成的,它可以處理連續和非連續的問題,在統壹解決有限單元法、不連續變形分析法和其他數值方法的耦合計算方面,有重要的應用前景。
無單元法:該方法是壹種不劃分單元的數值計算方法,它采用滑動最小二乘法所產生的光滑函數去近似場函數,而且又保留了有限單元法的壹些特點。它只要求結點處的信息,而不需要也沒有單元的信息。無單元法可以求解具有復雜邊界條件的邊值問題,如開裂問題,只要加密離散點就可以跟蹤裂縫的傳播。它在解決巖石力學非線性、非連續問題等方面具有重要價值和發展前景。
混合法:對於復雜工程問題,可采用混合法,即有限單元法、邊界元法、離散元法等兩兩耦合來求解。
模糊數學方法:模糊理論用隸屬函數代替確定論中的特征函數描述邊界不清的過渡性問題,模糊模式識別和綜合評判理論對多因素問題分析適用。 概率論與可靠度分析方法:運用概率論方法分析事件發生的概率,進行安全和可靠度評價。對巖土力學而言,包括巖石(土)的穩定性判斷、強度預測預報、工程可靠度分析、頂板穩定性分析、地震研究、基礎工程穩定性研究等。
灰色系統理論:以“灰色、灰關系、灰數”為特征,研究介於“黑色”和“白色”之間事件的特征,在社會科學及自然科學領域應用廣泛。巖土力學中,用灰色系統理論進行巖體分類、滑坡發生時間預測、巖爆分析與預測、基礎工程穩定性、工程結構分析,用灰色關聯度分析巖土體穩定性因素主次關系等。
人工智能與專家系統:應用專家的知識進行知識處理、知識運用、搜索、不確定性推理分析復雜問題並給出合理的建議和決策。巖石力學中,可進行如巖土(石)分類、穩定性分析、支護設計、加固方案優化等研究。 神經網絡方法:試圖模擬人腦神經系統的組織方式來構成新型的信息處理系統,通過神經網絡的學習、記憶和推理過程進行信息處理。巖石力學中,用於各種巖土力學參數分析、地應力處理、地壓預測、巖土分類、穩定性評價與預測等。
時間序列分析法:通過對系統行為的漲落規律統計,用時間序列函數研究系統的動態力學行為。巖石力學中,用於礦壓顯現規律研究、巖石蠕變、巖石工程的位移、邊坡和硐室穩定性等、基礎工程中降水、開挖、沈降變形等與時間相關的問題。