模拟岩体失效全过程的连续–非连续变形体离散元方法及应用

 岩石、混凝土等材料,由于存在细观构造的非均匀性,其损伤–破碎发展过程及破损特征与材料中含有的微裂隙分布相关。基于有限–离散耦合分析的思路,在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型,在细观单元之间插入界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现岩体开裂扩展的数值模拟。以岩石单轴压缩、单个颗粒破碎以及边坡失稳3个算例对该方法进行验证,结果表明：所提出的方法能较好地模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展,反映岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程。     

岩石破坏全过程的连续–离散耦合分析方法

 在变形体离散元的框架内引入界面单元,提出模拟岩石等准脆性材料破坏过程的连续–离散耦合分析方法。假定损伤和断裂只发生在界面单元上,实体单元只产生弹性变形,采用带拉断的Mohr-Coulomb准则和标量损伤因子来模拟界面单元的损伤、失效过程,实现岩石由连续性向非连续性转换的物理过程。在数值试验中,岩石细观尺度上单元的弹性模量和单轴抗压强度服从Weibull概率分布并满足一定的相关性。数值模拟结果表明：本文方法能反映岩石在加载过程中的线弹性、非线性、软化、残余4个阶段和主要特点;能显式地模拟微裂缝的萌生、扩展直至贯通形成宏观裂缝的全过程;反映岩石强度的围压依赖性和脆–延–塑转换力学特性。     

复杂岩石块体识别的单元重构–聚合方法

 为解决工程岩体开挖中含有复杂开挖边界时的块体识别问题,提出岩石块体识别的单元重构–聚合方法。首先,引入成熟的网格划分技术,通过建立网格模型(如有限元模型),实现对复杂开挖边界的精确模拟;其次,采用基于单元重构技术的结构面建模方法,将分布于岩体内的结构面建入网格模型;然后,提出基于单元聚合技术的块体构建方法和考虑有限性结构面时的单元组处理方法;最终可实现基于网格模型的复杂岩石块体识别。该方法识别所得的块体系统基于网格模型,块体的所有特征信息均可通过模型的单元和节点提取,块体的可视化也可在既有网格模型图形显示平台上实现。算例验证表明,当将结构面分别考虑为无限延伸和有限延展时,该方法的块体识别和稳定分析成果均与通用块体分析软件的结果一致。进一步将该方法应用于水电站大型地下洞室群的块体识别,可证明其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性。因此,该方法是一种能够考虑复杂工程岩体开挖边界的岩石块体识别的新方法,其实现过程独立于基于拓扑原理的传统块体识别思路,为块体稳定分析提供了新的实现途径。     

单轴压缩条件下岩石破坏的光滑粒子流体动力学数值模拟

岩石破坏问题是非连续问题。采用传统的有限元方法模拟岩石破坏时,计算结果依赖于网格,计算效率低。光滑粒子流体动力学(SPH)法主是一种模拟流体的无网格方法。对SPH法进行改进,将SPH法中流体的本构关系修正为弹脆性固体的本构关系,采用Weibull统计方法描述岩石材料的非均匀性,使SPH法能有效地模拟各向异性弹脆性岩石的破坏。改进的SPH法克服了有限元的缺点,在模拟裂纹启裂、扩展和连接时,计算结果不依赖网格,计算效率高。通过对单轴压缩条件下岩石破坏的数值计算结果表明:改进的SPH法能有效地理解和预测岩石材料的复杂破裂过程。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

一种广义节理元模型

采用传统节理元近似模拟岩石破坏过程需要同时增加单元和节点,过程非常复杂。为了更有效模拟岩石岩石破坏过程产生的节理,建议了一种只包含2个节点的广义节理元的模拟方法,通过推导给出了基本方程,提供了单元信息设置方式。采用该广义节理元近似模拟岩石破坏过程只需要增加单元,不需要增加节点。模拟实例表明：采用广义节理元法模拟效果在应力方面精度和传统节理元法的精度一样,该广义节理元法有效可行。     

岩石-混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理，在总结了几种典型接触单元基础上，根据谢和平提出的两体力学模型，采用有限差分程序FLAC，对岩石一混凝士接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟，研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明，两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

基于改进刚体弹簧方法的岩石破坏过程三维模拟

基于刚体–弹簧方法，提出一种新的模拟脆性岩石破坏过程的三维离散数值模型。该模型采用分布在界面上的弹簧组，描述块体之间的相互作用，能够自然考虑裂纹的渐进扩展。为得到均质各向同性的计算网格，在“点饱和”方法的基础上，提出了增长式的“核”布置策略，建立一种新的随机Voronoi网格剖分技术，并给出三维改进刚体–弹簧方法的基本方程。考虑界面的剪切滑移和张拉2种破坏模式，建立基于Mohr-Coulomb准则和抗拉强度准则的破坏准则，并提供模型细观参数的标定流程。最后，通过与室内三轴试验结果对比，验证了该模型的有效性。此外，还讨论了不同弹簧布置形式及块体尺寸对模拟结果的影响。结果表明，所提模型能够准确描述岩石与围压相关的非线性应力–应变响应过程，微裂纹的产生、扩展和贯通全过程，以及岩石的在不同围压条件下的宏观破坏模式。     

岩石单轴拉伸破坏过程的数值模拟

用三维梁–颗粒模型BPM3D(Beam-Particle Model in Three Dimensions)对岩石材料在单轴拉伸条件下的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。模型中材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石材料的破坏机理进行研究。岩石在单轴拉伸状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果。数值模拟结果与实验结果的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石材料的破坏机理进行了探讨。     

岩石–混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理,在总结了几种典型接触单元基础上,根据谢和平提出的两体力学模型,采用有限差分程序FLAC,对岩石–混凝土接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟,研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明,两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段,节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

基于ANSYS的剪力墙水平承载力特征值计算模拟

从理论上计算了剪力墙的水平承载力特征值,并与有限元模拟结果进行了对比,误差较小.在合理确定钢筋混凝土结构的有限元模型、材料本构关系、破坏准则等参数的前提下,ANSYS可以对钢筋混凝土结构从开裂到破坏的全过程进行模拟,为结构设计提供可靠的科学依据.     

Reliability assessment of three-dimensional bearing capacity of shallow foundation using fuzzy set theory

The aim of this study is to investigate the applicability of reliability theory on surface square/rectangular footing against bearing capacity failure using fuzzy set theory in conjunction with the finite element method. Soil is modeled as a three-dimensional spatially varying medium, where its parameters (cohesion, friction angle, unit weight, etc.) are considered as fuzzy variables that maintain some membership functions. Soil is idealized as an elastic-perfectly plastic material obeying the Mohr–Coulomb failure criterion, where both associated and non-associated flow rules are considered in estimating the ultimate bearing capacity of the footing. The spatial variability of the soil is incorporated for both isotropic and anisotropic fields, which are determined by the values of scales of fluctuation in both the horizontal and vertical directions. A new parameter namely, limiting applied pressure at zero failure probability is proposed, and it indirectly predicts the failure probability of the footing. The effect of the coefficient of variation of the friction angle of the soil on the probability of failure is analyzed, and it is observed that the effect is significant. Furthermore, the effect of the scale of fluctuation on the probability of failure is investigated, and the necessity for considering spatial variability in the reliability analysis is well proven.     

微裂纹损伤对纤维复合材料层合板强度的影响

基于连续损伤理论及Hoffman强度准则,采用多标量连续损伤模型和有限元法,对复合材料层合板在横向均布载荷下的损伤破坏过程进行了研究,分析中考虑了几何非线性的影响及单层板失效前由微裂纹损伤所引起的刚度下降。研究表明:微裂纹损伤对破坏区域的演化过程有较大影响;用损伤Hoffman准则得到的层板破坏荷载高于无损Hoffman准则的破坏荷载,提高程度受铺层方式的影响。     

Numerical simulation of sanding using a coupled hydro-mechanical sand erosion model

Mechanical failure of materials adjacent to the production cavity and material disaggregation caused by fluid drag are considered as the most important parameters that affect sand production.In light of such factors,the coupling of two mechanisms-mechanical instability and hydrodynamic erosion-is indispensable in order to model this phenomenon successfully.This paper examines the applicability of a coupled hydro-mechanical erosion criterion for simulating sand production using the finite element method.The porous medium was considered fully saturated.The onset of sanding and production of sand were predicted by coupling mechanical failure and subsequent erosion of the grain particles utilizing a sanding model.To consider the erosion process,the Papamichos and Stavropoulou(1998)'s sand erosion criterion was incorporated into the finite element code.Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) adaptive mesh approach was used to account for large amounts of erosive material loss.Besides,in order to address the problem of severe mesh distortion,the"mesh mapping technique" was employed.Sand production in a horizontal wellbore and in a field case was simulated to demonstrate capabilities of the proposed model.In addition,principal parameters affecting sand production,including in situ stresses,cohesion,perforation orientation,and drawdown were examined.The results indicated the efficiency of the model used in evaluation of sanding in the field.Parametric studies indicated that in situ stresses and formation cohesion could be considered as dominant factors affecting the amount of sand production.     

关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索

 长期以来,地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法,一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响,洞周不同部位的位移值也不相同,很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准,但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响,不同软件计算出的塑性区大小也有差异,这种方法同样也不可靠。由此可见,传统的经验分析法不够合理。为此,提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据,该判据有严格的力学依据,有统一的标准,而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例,提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念,通过不断折减土体的抗剪强度参数c,j 值或c,j 与抗拉强度,使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展,直至塑性应变或位移发生突变时,即表明隧洞发生剪切破坏,此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数,使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时,即表明隧洞发生拉裂破坏,此时的折减系数即为拉裂安全系数。该研究仅是对围岩稳定性分析方法的尝试性探索,供同行分析、讨论。     

基于重度增加法的边坡稳定性三维有限元分析

提出了分析边坡稳定性的三维非线性有限元重度增加法。利用ANSYS软件,基于D-P准则,考虑了关联的流动法则,先保持土体强度指标粘聚力和内摩擦角不变,通过逐步增加重度的方法使土体达到临界状态,采用坡顶水平位移与重度增加系数关系曲线上位移陡然增大作为边坡的破坏标准。充分考虑了土体的空间作用机制和变形协调机制,通过计算得到可能的半球形或复合形滑动面的位置和形式,而不是事先去假定,得到的安全系数也与其他方法相近。该方法可以更好地模拟土坡的破坏,有助于了解土坡的破坏机理,其结果对工程实践具有指导作用。     

基于离散单元法的单层网壳结构冲击破坏#br# 数值模拟研究

基于传统离散单元法的接触模型,通过能量守恒定律推导适用于杆系结构的离散元模型接触刚度。将分层梁理论引入到离散单元法中,给出接触的塑性判断准则以及推导接触进入塑性后的刚度系数,从而可以应用离散元方法解决杆系结构的弹塑性问题。通过定义离散单元法基于应变的断裂准则,将其应用于解决杆件的断裂问题。选取适用于碰撞问题的赫兹模型,给出赫兹模型刚度的设置方法。最后应用改进后的离散单元法对单层网壳冲击试验进行了考虑弹塑性、断裂、碰撞的全过程模拟,验证了该方法的正确性。并对Kiewitt单层球面网壳单点冲击和多点冲击进行数值模拟研究,分析了单点和多点冲击下单层网壳的破坏模式、冲击力、节点位移和支座反力的异同点。     

边坡失稳机理的力学解释

从力学意义上对岩土体屈服破坏行为进行了分析,指出了摩尔-库仑剪切屈服准则在边坡稳定分析中存在的问题,分别采用摩尔-库仑屈服准则和张拉-剪切复合屈服准则对边坡内部最危险滑动面的形成机理进行了直观的解释,并以强度折减有限元法的实例分析进行了验证。大量滑坡事故现场踏勘和勘察表明,滑动面的实际情况常与张拉-剪切复合屈服准则的理论分析结果相吻合。     

基于Drucker-Prager准则的高阶单元自适应上限有限元研究

引入Drucker-Prager屈服准则,建立了基于高阶单元和二阶锥规划的自适应上限有限元方法,并编制了计算程序。采用单元内部耗散能为控制指标的自适应加密策略,以一分为二的方式对能量耗散率较大的单元进行剖分加密,形成多次往复计算完成上限有限元的自适应加密过程。通过隧道稳定性及条形基础地基承载力算例,分析了系列Drucker-Prager屈服准则对极限荷载上限解的影响,揭示该屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则的差异所在,以及对上限解和破坏模式的影响,并进一步验证了基于高阶单元和二阶锥规划的自适应上限有限元法具有计算精度和求解效率高以及可搜索获取精细化破坏模式的特点。