三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。     

三维非连续变形分析方法的研究

 博士学位论文摘要　块体系统非连续变形分析(DDA ) 是在近年来才发展起来的一种新的数值计算方法。它在满足弹性理论基本方程条件下能够反映出岩体变形的不连续性, 既具有有限元理论基础的严密性, 又具有离散元法可计算块体大位移的特点, 具有广泛的应用前景。目前三维非连续变形分析方法的研究尚在初步阶段, 本文从最小势能原理出发建立了三维DDA 正分析模型, 重点讨论了三维块体系统中几种主要接触形式, 编制了相应的DDA 程序。主要内容包括:(1) 在一定的线性位移模式下, 按最小势能原理形成三维块体系统非连续变形分析总体平衡方程, 详细推导了弹性子矩阵、惯性子矩阵、荷载子矩阵和接触子矩阵, 建立了块体系统正分析模型。(2) 块体间高效而正确的接触判断, 是实现三维DDA 法计算的关键。本文采用分格检索技术搜索相邻块体, 利用公共面判断块体接触类型, 较之直接检查法节约了机时, 提高了计算效率。(3) 重点讨论了三维块体的角2面、边2面和面2面接触模型, 并用矢量方法和罚函数法进行了详细的理论推导, 给出了接触子矩阵的表达式。(4) 证明了三维DDA 正分析方程的可解性, 给出了适合三维DDA 总刚矩阵的特点非零存贮图解法、分块高斯2塞德尔迭代法和预处理共轭斜量法, 并编制了相应算法程序。(5) 对一般二维块体和三维块体的单纯形积分法作了改进, 使得三维块体面荷载的处理更加方便。(6) 提出了三维非连续变形分析方法中锚杆的简化模型, 探讨了锚杆的加固机理。(7) 编制了三维DDA 正分析程序, 并利用多个算例对程序进行了考察, 从计算后的块体形态和理论值与计算值结果的对比来看, 模拟结果和实际情况比较吻合。     

三维块体接触检索算法改进研究

 在三维非连续变形分析中,快速准确的块体接触检索算法是控制计算效率和分析结果正确性的关键因素之一。基于直接法和公共面法的思想,将接触类型归纳为点–面、边–边2种接触,并结合块体的外包围盒、块体切割面和接触继承对块体接触检索做进一步的改进。引入块体角点运动探针思想,对接触的正确性做进一步的识别,以确保块体的接触关系符合模型的力学运动要求,这弥补了以往接触算法中未考虑块体运动趋势的不足。该算法已在同济曙光三维块体分析软件中实现,算例结果表明,该算法具有良好的适应性、鲁棒性和可实现性,对于凸体和凹体均适用,能有效地解决现有方法存在的不足。     

基于中心差分方案的显式三维非连续变形分析法

为提高传统三维非连续变形分析法(DDA)求解大规模非连续问题时的效率,提出一种基于中心差分方案的显式三维DDA,求解过程简单省时且更便于实现高效的并行计算。基于最先侵入和最短退出路径原则,推导时间步内2种基本接触侵入形式的侵入点对位置的估算公式,明确侵入信息的参数种类,从而保证时域离散下块体间接触约束的时空连贯性、降低接触问题的非线性、提高接触力学计算的精度并减少重复计算量。数值算例表明,显式三维DDA具有足够的计算精度且计算效率更高,实现并行计算后有望应用于大型岩体工程非连续数值分析。     

《岩石力学与工程学报》2004年4期EI收录论文(24篇)

No论文题目作者名页码1取决于材料状态的变形局部化现象蔡正银李相菘533～5382遥感-岩石力学(Ⅳ)——岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义吴立新刘善军吴育华等539～5443允许变形及断裂的三维离散元计算方法陈伟李世海545～5494高压水射流破岩的数值模拟分析倪红坚王瑞和葛洪魁550～5545岩土工程反分析的扩展贝叶斯法陈斌刘宁卓家寿555～5606圆形洞室围岩与结构相互作用的粘弹性解析刘保国杜学东561～5647岩石块体三维接触判断的侵入边法陈文胜郑宏郑榕明等565～5718急倾斜厚大矿体地下与露天联合开采岩体移动分析的模糊数学模型…     

基于可见性和后修圆的三维块体域接触算法

在离散元等三维非连续介质数值分析方法中，快速高效的接触检索算法是控制计算效率的关键性因素之一。在直接接触检索算法的基础上引入域分解、外接球判断、可视化检测以及后修圆方法，提出一种新的三维凸多面体接触检索算法。首先阐述该算法的基本原理，分析邻近块体的识别方法以及接触类型和接触方向的确定方法，而后以承受冲击作用的双柱碰撞过程为例表明该接触检索方法计算工作量小，鲁棒性好，易于计算机实现。     

复杂不稳定块体的自动搜索及其失稳方式判断--基于随机不连续面三维网络模型

根据随机不连续面三维网络计算机模拟技术，建立了岩体不连续面空间分布概率统计数值模型，并在此基础上，应用“有形即是有限”的分析方法可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体，确定其空间几何形态和几何参数。利用提出的“棱线矢量”法，判断块体的可动性，并用“主动合力矢量”法，确定块体的受压面，判断块体的失稳方式，最后评价块体的稳定性。     

三维离散单元法及其应用

 博士学位论文摘要　系统深入地研究了三维离散单元法的基本原理和数值解算方法, 在改进和推广了现有算法的基础上, 自行编制了相应的C 语言程序。采用投影方法求解接触力的作用点和作用面积, 提高了接触计算的精度和速度。用矢量方法推导了三维动态松弛离散元法的理论公式, 为程序编写提供了方便; 同时, 对阻尼和时步采取自动调节技术, 较好地解决了块体间的侵入问题。首次研究了三维静态松弛的离散单元法, 给出了详细的理论推导, 并与动态松弛法相耦合, 克服了两者的缺点; 通过算例的比较, 发现静态方法比动态方法具有更高的效率。提出了三维离散元法中地下水和锚杆的模拟方法, 认为地下水可能诱发滑坡, 锚杆通过悬吊和销接作用对块体产生锚固力。探讨了三维离散元法的数据结构, 提出了地下水、锚杆、边界力等数据的组织方法。论述了三维离散元法的程序编制方法和特点, 分别开发了动态和静态松弛法的C 语言程序。对海冰撞击钻井平台、杨家槽滑坡和长壁工作面覆岩运动规律进行了计算, 从计算后的块体系统变形形态来看, 模拟结果与实际情况大致吻合。     

黏土地层隧道开挖面三维稳定性上限分析

对不排水均质黏土地基隧道开挖失稳三维破坏模式进行改进,弥补了目前隧道开挖稳定性问题中三维极限分析上限法的不足。采用截椭圆柱体构造多块体平动破坏模式,克服了现有三维多块体平动破坏模式与隧道开挖面不完全接触的缺陷;进一步针对三维多块体平动破坏模式存在的问题,提出了多块体转动–剪流组合破坏模式,得到了均质黏土地层中隧道开挖稳定的上限解,明显改善了现有的极限分析上限解,并与三维弹塑性有限单元法结果及文献中的离心试验结果进行对比,验证了上限分析方法的有效性。     

水工结构接触问题的多体有限元法

针对水工结构中的局部接触问题,提出了一种新的数值分析方法—多体有限元法。基于DDA方法的分析思路,以结构面切割而成的块体作为分析单元,每一块体均可允许自身有独立的位移和变形,通过块体间的接触和几何关系形成一个完整的块体系统。块体内部采用有限元法求解,块体之间通过接触力相互联系,且在接触界面上引入变形协调条件,保证了多个块体互相接触作用时块体位移和应力状态的连续性,从而使得计算更加符合实际情况。该方法接触求解过程中无需指定法向刚度及切向刚度等参数,避免了DDA方法因引入刚性弹簧而出现的嵌入问题,同时提高了块体内部变形的求解精度。推导了多体有限元法求解接触问题的支配方程,并给出了其增量形式的定解条件和判定条件。最后通过3个数值算例验证了本文方法的正确性和有效性。     

三维非连续变形分析(3D DDA)理论及其在岩石边坡失稳数值仿真中的应用

在3D DDA中，分析的块体是由岩体内部实际存在的不连续面切割而成。在计算过程中，利用块体的几何关系正确地寻找出可能产生接触碰撞的块体，并在块体接触时利用接触弹簧来评估接触面法线方向的接触力：另外，在剪切方向则遵守摩尔-库仑破坏准则，最后以独创的开合迭代方法来保证每一计算步长具有较准确的接触力和解算的收敛性。计算的结果与位于日本天鸟桥西的现场监测影像进行对照后发现，此新计算法可以高精度地预测岩体失稳过程。—     

Composite wedge failure using photogrammetric measurements and DFN-DEM modelling

Analysis and prediction of structural instabilities in open pit mines are an important design and operational consideration for ensuring safety and productivity of the operation. Unstable wedges and blocks occurring at the surface of the pit walls may be identified through three-dimensional (3D) image analysis combined with the discrete fracture network (DFN) approach. Kinematic analysis based on polyhedral modelling can be used for first pass analysis but cannot capture composite failure mechanisms involving both structurally controlled and rock mass progressive failures. A methodology is proposed in this paper to overcome such limitations by coupling DFN models with geomechanical simulations based on the discrete element method (DEM). Further, high resolution photogrammetric data are used to identify valid model scenarios. An identified wedge failure that occurred in an Australian coal mine is used to validate the methodology. In this particular case, the failure surface was induced as a result of the rock mass progressive failure that developed from the toe of the structure inside the intact rock matrix. Analysis has been undertaken to determine in what scenarios the measured and predicted failure surfaces can be used to calibrate strength parameters in the model.     

New approaches to quantify progressive damage and associated dynamic rock mass blockiness

In the past decade, numerical modelling has been increasingly used for simulating the mechanical behaviour of naturally fractured rock masses. In this paper, we introduce new algorithms for spatial and temporal analyses of newly generated fractures and blocks using an integrated discrete fracture network (DFN)-finite-discrete element method (FDEM) (DFN-FDEM) modelling approach. A fracture line calculator and analysis technique (i.e. discrete element method (DEM) fracture analysis, DEMFA) calculates the geometrical aspects of induced fractures using a dilation criterion. The resultant two-dimensional (2D) blocks are then identified and characterised using a graph structure. Block tracking trees allow track of newly generated blocks across timesteps and to analyse progressive breakage of these blocks into smaller blocks. Fracture statistics (number and total length of initial and induced fractures) are then related to the block forming processes to investigate damage evolution. The combination of various proposed methodologies together across various stages of modelling processes provides new insights to investigate the dependency of structure's resistance on the initial fracture configuration.     

三维DDA与有限元的耦合分析方法及其应用

发展了三维不连续变形分析(DDA)与有限元(FEM)耦合计算的力学模型。通过对三维块体进行有限单元网格剖分,采用有限元法来求解块体内部的位移场及应力分布,块体边界之间的接触则采用DDA方法来模拟,基于最小势能原理建立了三维DDA-FEM耦合方法的总体平衡方程,并详细推导了接触矩阵的表达式。在此基础上编制了相应的计算程序并将其应用到混凝土基础与地基相互作用的变形分析。计算结果表明了该耦合方法的有效性。     

Numerical manifold method modeling of coupled processes in fractured geological media at multiple scales

The greatest challenges of rigorously modeling coupled hydro-mechanical(HM) processes in fractured geological media at different scales are associated with computational geometry.These challenges include dynamic shearing and opening of intersecting fractures at discrete fracture scales as a result of coupled processes,and contact alteration along rough fracture surfaces that triggers structural and physical changes of fractures at micro-asperity scale.In this paper,these challenges are tackled by developing a comprehensive modeling approach for coupled processes in fractured geological media based on numerical manifold method(NMM) at multiple scales.Based on their distinct geometric features,fractures are categorized into three different scales:dominant fracture,discrete fracture,and discontinuum asperity scales.Here the scale is relative,that of the fracture relative to that of the research interest or domain.Different geometric representations of fractures at different scales are used,and different governing equations and constitutive relationships are applied.For dominant fractures,a finite thickness zone model is developed to treat a fracture as a porous nonlinear domain.Nonlinear fracture mechanical behavior is accurately modeled with an implicit approach based on strain energy.For discrete fractures,a zero-dimensional model was developed for analyzing fluid flow and mechanics in fractures that are geometrically treated as boundaries of the rock matrix.With the zero-dimensional model,these fractures can be modeled with arbitrary orientations and intersections.They can be fluid conduits or seals,and can be open,bonded or sliding.For the discontinuum asperity scale,the geometry of rough fracture surfaces is explicitly represented and contacts involving dynamic alteration of contacts among asperities are rigorously calculated.Using this approach,fracture alteration caused by deformation,re-arrangement and sliding of rough surfaces can be captured.Our comprehensive model is able to handle the computational challenges with accurate representation of intersections and shearing of fractures at the discrete fracture scale and rigorously treats contacts along rough fracture surfaces at the discontinuum asperity scale.With future development of three-dimensional(3 D) geometric representation of discrete fracture networks in porous rock and contacts among multi-body systems,this model is promising as a basis of 3 D fully coupled analysis of fractures at multiple scales,for advancing understanding and optimizing energy recovery and storage in fractured geological media.     

水利工程砌筑砂浆强度检测方法探讨

水利工程中尚没有专用于实体结构砂浆强度的测试方法,通常参考建筑行业方法标准。本研究采用本地常用的原材料制作砌石墙体,预留标准养护和同条件养护试块,并用贯入法和冲击筛分法对实体砂浆强度进行检测和对比分析。研究发现,冲击筛分法可在一定强度范围内对砌石砂浆强度进行检测,而贯入法需结合水利工程中砌块特性,配制强度范围更宽的砂浆进行试验研究,以获得准确的砌石砂浆强度回归曲线用于实体检测。     

基于Morgenstern-Price法边坡三维稳定性分析

 工程中边坡滑裂面通常都是三维空间上的一个曲面,采用传统的二维稳定性分析方法对其进行分析与实际不符。Morgenstern-Price极限平衡条分法(M-P法)是最严密的边坡二维稳定性分析方法,将其拓展并引入边坡三维稳定性分析中。通过类似于M-P法的条间力假定,建立一种新的边坡三维稳定性分析方法—基于M-P法边坡三维极限平衡分析法。给出2个验证算例,与现有几种方法对比计算结果表明：该法不仅计算结果更可靠,而且力学模型更为严谨,计算公式简便且易于编程,可在边坡工程设计及滑坡治理中推广应用。     

成兰铁路茂县车站高边坡抗震设计研究

 针对拟静力法的边坡传统抗震设计方法存在一些不足之处,基于强度折减动力分析法,提出一种边坡抗震设计新方法,该方法考虑了支护结构与岩土体在地震作用下的动力相互作用,能够满足边坡抗震和静力稳定性设计要求,利用该方法可得出支护结构的内力,确保了工程设计的安全性和经济性。通过对成都-兰州(成兰)铁路茂县车站高边坡抗震设计,描述该方法的具体实施过程,论证了此法的可行性,为支护边坡的抗震设计提供了一种新思路。     

边坡和坝基抗滑稳定分析的三维矢量和法及其工程应用

 在二维矢量和法的基础上提出三维矢量和法中整体下滑趋势方向的确定方法,需首先计算整体下滑方向的初值,然后进行投影计算得到其整体下滑趋势方向及矢量和法安全系数。运用该方法对几个三维边坡算例进行分析,结果表明矢量和法安全系数与三维极限平衡法结果基本一致,且对于滑移面单元尺寸不敏感。最后,以三峡大坝26#坝段抗滑稳定性分析为工程实例,针对通过详细勘察而指定的4种滑移面进行平面矢量和分析及三维矢量和分析,结果表明三维矢量和分析结果均较二维矢量和结果要大,且深层滑移面得到的安全系数比浅层滑移面稍大,其抗滑安全系数远大于1.0,说明坝基是安全的。该方法具有明确的物理和力学意义,只需一次弹性或弹塑性数值计算,不需过多的人为假设,即可得到三维矢量和法安全系数。该方法具有三维极限平衡法及强度折减法无法相比的优势,计算过程简单,便于在工程实践中运用。