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。     

岩体隧道三维建模及围岩非连续变形动态分析

结合东北地区某隧道工程,根据获取到的隧道工程岩体结构现场原始数据,应用自主开发的GeoSMA-3D系统,基于简单块体模型间相互组合构建复杂岩体模型的原理,采用不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,对隧道围岩的岩体结构面进行三维空间模拟,建立了该岩体隧道工程三维数值模型,并采用一种基于网格划分的块体识别方法,获得结构面划分岩体得到的所有块体。将所建立的三维数值模型选取其中某一典型断面的数据信息,导入二维非连续分析程序DDA针对二维平面内的应力及位移进行计算分析,对隧道围岩的破坏过程进行动态分析,得到的动态位移图和模拟结果对隧道工程超前预报、开挖支护具有一定的借鉴意义。     

基于GeoSMA-3D隧道建模及坍塌破坏分析

针对隧道围岩的非连续特性,结合李家营隧道工程实例,在现场岩体结构面调查和体表信息采集的基础上,利用自行开发的GeoSMA-3D程序建立了该隧道三维数值模型,搜索隧道开挖诱发的关键块体.将所建立的空间模型导入非连续变形分析方法DDA,并进行开挖过程的计算分析,模拟了该隧道在无工程措施情况下围岩坍塌破坏全过程,为工程施工和...     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

三维高阶DDA方法的静力分析研究

 借助于DDA方法以“体”为研究对象的潜在优势进行连续结构的静力分析,突破网格相容条件的限制,有利于简化前处理。同时,采用高阶位移模式,在将空间几何形体简单地划分为单个或数个体的条件下,能获取较高的求解精度。遵循以上思路,定义“连接面”、“连接点对”的概念,给出DDA块体在连续系统中所需满足的变形协调条件,推导三维高阶DDA方法的基本公式,包括弹性子矩阵、初应力荷载矩阵、点荷载矩阵、体荷载矩阵和固定点矩阵及相邻块体间的连接矩阵,最终建立三维连续结构的高阶DDA整体平衡方程。最后编程实现上述思路,采用有解析解的经典算例并结合一定网格密度的有限元解进行比对分析,结果表明DDA方法应用于连续结构静力计算的可行性与优越性。     

隧道层状围岩体变形分析新方法研究

传统离散单元计算方法(包括UDEC和DDA法)适合于求解岩土工程中有较多地质界面的问题,分析层状围岩体或大块体时仍需要离散化为若干小块体,为此增加许多不必要的人工界面,而有限元法等连续性方法并不适合表达有较多非连续面的问题.为此以DDA法为基础,建立无网格法高阶插值的DDA块体模型,原理上即利用无网格插值或近似方法如移动最小二乘法等,以获得离散大块体的复杂位移变形场,遵循原DDA法建立块体系统刚度矩阵、进行动力迭代分析的基本原理,实现无网格法与DDA法内部耦合分析.新方法模型针对层状围岩体,在建模分析上方便直接,数值算例表明对隧道层状围岩体分析结果是合理有效的.     

基于DDA的岩体边坡稳定性分析及应用研究

针对岩质高边坡的滑坡失稳这一典型破坏形式,采用非连续变形分析(DDA)这一数值分析方法,介绍其计算原理,总体平衡方程的形成、块体接触判断及处理措施,并结合某岩体边坡工程实例,建立计算模型,分析边坡块体的动态稳定性。     

局部火灾下基于网架热力效应解耦方法的杆件约束刚度求解

局部火灾下,网架结构整体升温呈非均匀状态,由于各杆件轴向的温度膨胀变形不同,导致了杆件间的轴向约束效应,这种轴向约束使网架结构杆件受火屈曲后仍具有一定的承载力.定量确定网架结构杆件间的相互约束是正确评价杆件抗火承载力的重要条件.分别将上、下弦杆层连续化,参考拟夹层板法,基于力平衡方程和位移协调方程,分别得到非均匀温度场中考虑温度膨胀效应和静力荷载效应的网架上、下弦杆层的面内位移及竖向挠度解析解.同时采用数值分析方法,分别得到非均匀温度场中,在温度、杆件间相互约束和静力荷载耦合作用下的网架上、下弦杆层面内及竖向位移数值解以及杆件间相互约束效应产生的附加温度内力.上述位移解析解与数值解之差值即为网架各杆件在约束效应下所产生的轴向变形,该轴向变形量与附加温度内力之比,即为杆件的轴向约束刚度.这种轴向约束刚度计算方法有效地将杆件由于温度膨胀受到约束产生的轴向变形量从耦合效应中剥离出来,从而较准确地得出升温历程中杆件间的瞬态约束刚度.     

岩土工程不连续变形分析计算中的若干问题

通过引入黏性阻尼吸收块体动能,基于变分原理建立考虑阻尼力影响的块体系统总体平衡方程,给出DDA方法求解准静态问题的正确能量耗散方式,并定义系统达到稳定状态后的位移、速度以及加速度收敛准则和相应的控制标准.考虑到开挖岩体的稳定性与开挖程序及应力历史紧密相关,根据DDA方法的特点,探讨DDA数值模拟中开挖荷载和锚固支护荷载的计算问题,发展采用DDA模拟岩体分期开挖的两种计算方法:基于开挖荷载的模拟方法和基于软化单元的模拟方法,并给出相应的迭代计算格式.数值算例和工程实例分析表明,针对上述问题进行改进后DDA方法不仅具有较高的计算精度,而且具有较好的收敛性能,便于在实际工程中应用.     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

DDA子块体开裂模拟算法的优化与验证

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节理面上的块间接触力判断沿预设节理面的拉伸或剪切破坏。该算法能够较好的模拟岩体的开裂路径和破坏形态,但受预设虚拟节理面方向对块间接触力大小的影响,由此得到的岩石开裂强度与实际之间可能产生较大差异。本研究不再根据块间接触力进行开裂判断,而改进为根据邻近子块体的应力状态进行开裂判断,并仍假定裂纹沿虚拟节理面产生。用新的DDA程序对压缩载荷作用下圆盘试件的拉伸开裂破坏和方形试件的剪切开裂破坏进行了模拟。算例表明,改进后的开裂算法具有高的开裂计算准确性,并大大减小了预设虚拟节理分布对开裂破坏强度及破坏路径模拟结果的影响。     

数值流形方法中的锚固支护模拟及初步应用

针对岩土工程中的锚固支护,研究了数值流形方法中锚固支护模拟问题。在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块,并用算例验证了其合理性。运用该方法对某层状结构岩体中的地下洞室围岩开挖变形问题进行了研究。结果表明,数值流形法在层状结构岩体地下洞室开挖时,能反映围岩中软弱层面两侧岩体的不连续错动特征;锚固支护后,围岩位移分布趋向均匀,位移量有所减少,软弱层面两侧岩体的非连续错动变形量减小效果显著。     

流变岩体中椭圆洞室断面开挖过程的力学分析

给出了黏弹性流变岩体中深埋椭圆隧洞断面开挖过程中力学响应的解析解答。通过设定长短半轴随时间变化的函数可模拟施工过程。首先,结合变边界黏弹性问题对应关系和平面弹性复变方法,求得岩体应力及开挖引起位移的统一表达。在推导中,通过建立逆映射函数,分离出参与Laplace变换的时间。然后,对模拟为Boltzmann黏弹模型的岩石材料,给出了积分形式的位移表达式。最后,针对不同类型岩石进行不同开挖方式和速度下无量纲位移及应力的参数分析。分析表明,施工方式对位移与应力有明显影响。给出的解析解答可用于地下椭圆孔型隧道在开挖过程中的力学分析,并可作为实际工程初步设计的手段。     

线性无关高阶数值流形法在断裂力学中的应用

数值流形方法(NMM)实现了对连续和非连续问题的统一求解,非常适合应用于求解断裂力学问题。但传统高阶NMM,例如采用一次多项式作为其局部位移函数时,存在线性相关问题,这又在一定程度上限制了NMM的进一步发展和应用。因此,通过在物理片上引入一种新的局部位移函数以及用于模拟裂纹尖端应力场奇异性的位移函数,建立新的NMM求解体系,尝试消除线性相关问题和求解线弹性断裂力学问题。数值算例结果表明:(1)该方法有效地解决了线性相关问题。(2)对于典型的线弹性断裂力学问题,即便在网格密度较小时也能够精确地计算出裂纹尖端的应力强度因子。(3)研究区域内插值点处的应力是连续的。(4)定义在非奇异物理片上自由度具有明确的物理含义,且第3到5个自由度恰好是所对应插值点处的应变分量,可直接获得此处的应力,减少了计算量。最后,所建议方法可以很容易地推广到其他基于单位分解理论的方法中。     

岩体三维精细本构理论与深埋隧道应力控制设计分析方法EI北大核心CSCD

向地球深部进军是必须解决的战略科技问题,深部岩体隧道的智能建造是当今隧道工程建设的重要发展趋势,采集精细化、分析精确化、控制精准化是智能建造的核心内容,也是制约深埋隧道高效、安全建造的主要瓶颈。传统计算模型没有反映深部岩体力学特征,模型参数主要由室内岩石力学试验或现场位移反分析确定,缺乏实时、快速、动态获取岩体参数并进行三维正分析和动态设计的方法;同时,现有的隧道工程设计分析思路主要是基于对变形的目标控制(变形控制),忽略了深埋隧道开挖过程中卸荷岩体应力分布和转移的过程调控(应力控制)机制。综合采用理论分析、数值模拟和试验测试等手段,研究高应力和复杂应力环境下深部岩体三维、非线性强度特征和力学行为,基于数字化原位测试获取岩体参数并进行三维(正)分析和动态设计,形成深埋岩体隧道三维设计分析理论和“应力控制”设计分析方法。本文主要创新成果包括:(1)改进了广义Zhang-Zhu(GZZ)岩体三维强度准则,克服了GZZ准则在高应力下的非光滑、非全凸的局限性,满足了深部岩体工程强度分析的需要。(2)建立了考虑围压和塑性剪应变的岩体峰后剪胀角模型,给出了模型参数(单参数)的正分析取值方法,提升了多参数岩体剪胀角模型在深部岩体工程中的适用性。(3)建立了考虑深部岩体三维强度和剪胀特性的非关联塑性流动法则及三维弹塑性数值计算方法,其正确性和可靠度得到了半解析解、模型试验和现场变形监测数据的验证。(4)提出了基于光滑GZZ强度准则的深埋圆形隧洞弹塑性半解析方法,揭示了深埋隧道轴向应力在塑性区的一致性软化规律,探讨了岩体质量、剪胀角、初始轴向应力、本构规律和强度准则对深埋隧道围岩稳定分析结果的影响。(5)提出了基于数字化原位测试的深埋岩体隧道三维正分析方法,克服了反分析方法和变形控制在深部岩体工程智能建造和动态设计中的局限性。(6)初步建立了深埋隧道应力控制的理论框架和设计分析方法,揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机理,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道围岩稳定的力学影响机制,发现了超前核心岩体预挤出与预收敛变形的一致性规律。     

灌浆岩石锚杆 拉拔变形和刚度的理论解析

岩石锚杆的变形计算是锚固工程设计中的一个关键因素。基于协调剪切变形段锚杆和岩体间剪切变形刚度的线性假定,不协调剪切变形段锚杆和岩体间剪应力沿杆长呈幂函数型分布的假定,通过荷载传递微分方程,对全灌浆锚杆和有自由端灌浆锚杆的拉拔变形和刚度进行了理论分析,推导出沿杆长剪应力分布函数、轴力分布函数和位移分布函数,进而可获得锚杆最大拉拔力和拉拔荷载–位移曲线。根据剪滞理论,由灌浆锚杆周围岩体单元应力平衡微分方程,推导出 锚杆与岩体之间剪切弹性变形刚度 的计算公式。与其它理论结果比较,表明本分析方法是合理的、可行的, 对于灌浆锚杆变形、刚度及强度设计具有参考价值。     

地震载荷作用下地下厂房围岩稳定性分析

探讨了非连续变形分析方法(DDA)动力学算法中阻尼条件施加方法,并针对具体实际问题采用速度阈值控制的复合阻尼方法提高了计算效率。以某水电工程地下主厂房为例,采用改进后非连续变形分析方法对汶川地震载荷作用下节理围岩和洞室开挖过程中锚杆的锚固作用及对边墙稳定性的影响进行研究,重点对比分析了地震载荷下洞室围岩在有无锚固条件对于拱顶、边墙和节理位移变形位移的影响。研究表明,锚杆的锚固作用对地震载荷和高应力条件下地下厂房开挖过程中洞室围岩的变形和稳定性起着关键性的作用。     

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。     

基于非连续变形分析的岩质高边坡稳定性评价

针对岩质高边坡的滑坡失稳的典型破坏形式,采用非连续变形分析(DDA)这一数值分析方法,结合某高速公路岩质高边坡工程实例,建立计算模型,深入研究边坡岩体的结构面参数与边坡变形的相互关系,分析不同工况下边坡块体的极限内摩擦角和稳定安全系数,进而评价边坡的稳定性,结果表明与边坡稳定实际情况基本吻合。