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.     

基于三维地质建模的复杂构造岩体六面体网格剖分方法

提出将三维地质建模技术与岩土工程数值模拟相结合,发挥三维地质建模在刻画地质实际上的优势,为数值模拟提供尽可能准确的地质模型;借鉴基于剖面的建模技术,形成了适合于六面体剖分的三维地质建模方法;在此基础上,利用多重映射网格,实现了复杂构造岩体六面体网格剖分;将该技术应用到杨村煤矿西淝河左堤下采煤可行性分析研究中,取得了较好的效果。     

基于三维地质模型的岩土工程有限元自动建模方法

在岩土工程有限元数值模拟中,复杂的地质环境使得建模困难,模型一般都被简化处理。其结果直接影响计算的准确性。借助地质模型能最大程度地表达地质实际的特点,将地质模型和数值模型相结合,提出一种新的岩土工程有限元建模方法--CRM地质模型转化法。其核心思想是将三维地质模型经过特定方式转化为符合有限元网格要求的数值计算模型。具体转化过程为:①根据计算范围对地质模型进行区域切割;②从切割模型提取控制数据进行网格重构;③对重构模型按地层属性自动剖分有限元网格;④将网格数据导入数值分析系统完成建模。通过编程实现与实例验证,这种方法能准确生成复杂模型网格,整体建模速度快,自动化程度高,且能方便地模拟开挖过程,并可为不同的数值分析系统使用,极大地提高了前处理工作的效率。     

基于SURPAC的矿山开采稳定性FLAC3D模型与模拟

针对FLAC3D软件前处理功能不足和建模比较麻烦的问题,探索了一套利用SURPAC软件建立多网格高仿真复杂FLAC3D模型的方法。通过在SURPAC软件中建立块体模型,然后利用重新分块命令,生成多个不同单元大小的块体模型,利用约束组合分别导出其中的一部分点的数据,汇合到一起,得到一个新的含有多种网格的块体模型的数据,经过数据类型格式转换,导入到FLAC3D软件中,生成多网格高仿真复杂FLAC3D模型并进行力学模拟计算。这种方法使FLAC3D建模快捷化,并且建立的模型更符合实际形态,提高了数值模拟的准确度。该建模方法在古家台铁矿中得到应用,通过对真实的开挖过程进行力学数值模拟,得到了采场的应力、位移及塑性区分布规律。结果证明这种方法是可行的。     

基于Surfer平台的FLAC3D三维地质建模方法与模型验证

网格建模是数值模拟工作的前提,复杂三维地质模型的建立一直是FLAC3D前处理内容的短板.因此,本文详细介绍了基于Surfer平台的FLAC3D三维地质建模方法在实际地质工作中的建模流程和操作步骤,同时为验证该方法的可行性和模型的可靠性,以某滑坡为例完成三维网格建模,并模拟该滑坡在天然工况下的位移结果,与现场监测数据进行...     

基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法

 针对岩土工程数值分析中地质断层建模困难的问题,提出基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法。该方法首先对分析对象进行独立离散,建立不考虑地质断层的模型。再通过单元重构,可将地质断层嵌入已建模型,实现复杂地质断层的自动建模。所谓单元重构,是首先使用八节点六面体单元,建立不考虑断层的分析模型,再借助四节点四面体,五节点四棱锥和六节点三棱柱等单元形态,对地质断层穿过的网格进行处理,重构为由多种单元形态构成的模型。然后结合岩土工程断层建模实例,将该方法应用于复杂地下岔管、重力坝坝肩和坝基以及大型地下洞室群的断层建模,可证明其有效性。进一步以大型地下洞室群为例,将考虑地质断层的洞室群模型导入通用软件,采用实体单元模拟地质断层进行开挖计算,并与不考虑断层的情形对比分析发现,考虑地质断层后,围岩位移和应力分布都呈现出不连续性,被断层切割部位的围岩变形增大,应力出现松弛。这表明含有地质断层的重构模型可以用于数值计算,且能有效反映出地质断层对洞室围岩稳定的影响,从而可证明该建模方法的可靠性,为岩土工程的复杂地质断层建模提供便捷的实现途径。     

风工程数值模拟中流域分区构造和网格划分新方法的研究与应用

基于边界层模拟基础研究成果和工程实践经验,建议了风工程数值模拟中一种新的内、外域计算域分区构造和网格划分方法,用来实现多风向角计算工况的模型共享,以减少数值建模中繁杂的重复性工作,提高数值模拟计算的效率.通过数值检验,验证了采用这种新方法模拟平衡大气边界层不会引起额外的数值误差.并将这种新的建模办法应用在上程实践中,验证其适用性.该方法对实现风工程数值建模的完全流程化和自动化具有实用价值.     

基于等效离散裂隙网络的三维裂隙岩体渗流模型

基于等效离散裂隙网络模型,提出一种模拟具有裂隙网络–岩石基质复杂裂隙岩体渗流的三维数值计算方法。该模型将岩石看作由不透水的四面体块体组成的集合,渗流只在相邻块体之间的界面上发生,并遵循Darcy定理。为模拟复杂裂隙岩体的空间结构,开发随机均布三维Delaunay四面体网格生成算法,可以显式模拟三维裂隙网络及其复杂的相交关系。岩石基质中的孔隙被等效界面网络系统代替。为保证该系统拥有与完整岩石相同的宏观渗透性,建立等效离散裂隙网络模型,并提出宏细观渗流参数的转换方法。裂隙也作为界面存在,但具有较高的渗透性,在数值上与基质中界面的处理方式相同,便于程序实现及数值稳定。为验证该方法的有效性,进行几个数值计算,数值结果与解析解吻合良好。最后,通过一系列算例研究裂隙渗透性、大小、方向、相交位置对岩体宏观渗透性的影响,及裂隙密度与逾渗阈值之间的关系。     

一种模拟岩石破裂的细观数值计算模型

建立随机均布Voronoi图的生成算法,以这种网格划分方式作为刚块弹簧元法(RBSM)的基本计算网格。同时,将刚体弹簧方法的界面中点接触模型改为整个界面的均布接触模型,结合界面抗拉强度和莫尔-库仑准则,给出一个能同时考虑模式I和II的断裂破坏的界面破坏模型。大量数值试验表明,以随机Voronoi图为基本计算网格,块体平均尺寸和排列方式对宏、细观弹性参数之间的关系影响很小,从而克服了颗粒离散元法的网格依赖性和宏、细观参数繁琐的标定程序。将该数值模型计算结果与Vienne岩石试验结果对比,数值模拟结果与试验结果在变形和强度都吻合较好,且随着围压的增大,应力-应变曲线的峰后下降趋势逐渐放缓,在围压为40 MPa时接近水平,表现出明显的由脆性向延性过渡的趋势。     

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。     

基于三维地质模型的工程岩体结构精细数值建模

针对岩体结构数值模拟分析前处理工作中存在的地质模型建立、空间单元划分等难点,提出将三维地质模型与数值模拟分析进行耦合来简化其前处理的具体思路和方法。在三维地质建模系统中,建立精细的工程地质三维统一模型,通过单元网格几何模型的自动生成和模型数据的转换输入,可快速、准确地为岩体结构数值模拟分析提供不同类别、信息丰富的精细三维网格剖分模型,不仅简化了数值计算分析的前处理工作,同时也可丰富三维地质模型的属性信息,为工程设计与优化提供更直观、便捷的信息平台。     

基于隧道空间全波场二维数值模拟与特征分析

基于隧道地震波场二维数值模拟是研究隧道超前探测过程中地震波传播规律的基础,目前关于这方面的研究均建立在隧道侧壁观测系统的基础上,并且把隧道空间作为与周围地层具有同样弹性参数的均匀介质考虑,因此不能实现全波场模拟,与实际存在差异。基于实际隧道空间,建立了更加接近实际的隧道地质模型,实现了隧道空间的二维全波场模拟。通过二维全波场模拟及实例结果对比分析表明：① 采用空间四阶时间二阶交错网格有限差分法能有效实现基于隧道空气介质的二维全波场模拟;② 当地质界面倾角为90°时,掌子面附近激发的共激发点观测系统比侧壁的共接收点观测系统更有利于反射波的获取;③ 随着地质界面倾角的减小,界面同侧激发和接收的反射波能量增强;④对于局部地质体和大倾角地质界面,掌子面附近激发横波能量强于纵波,有利于横波成像。     

土–石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

 土–石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为。从土–石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土–石混合体力学理论研究体系具有重要的意义。运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土–石混合体细观结构随机生成系统——R-SRM2D。基于R-SRM2D,从土–石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土–石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土–石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系。在理论上取得一些有意义的研究成果：随着含石量的增加,土–石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°－js/2)时,其抗压强度最小;土–石界面的胶结使得土–石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍。     

混凝土砌块砌体结构弹塑性地震反应分析方法

基于地震工程模拟开放系统OpenSees，提出了混凝土砌块砌体结构三维弹塑性地震反应数值分析方法，用带刚域的等效框架模型模拟混凝土砌块砌体结构，空间杆单元采用以力为基础的非线性梁、柱单元。数值模拟结果与试验结果较为吻合，验证了分析方法和计算模型的合理性。     

边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用

提出用各种线符及其组合概化岩体结构和物性两类信息，并建立起相应的拟合函数，实现工程地质结构及边坡工程开挖的三维模拟和再现。根据实测的离散点信息建立起三维可视化模型，显示任意位置的剖面和平切面图及其它方面的三维计算。最后成功地应用到长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构模拟和信息的再现。     

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。     

锚杆加固散粒体的作用机制研究

采用细观数值模拟的方法研究岩土工程中散粒体锚杆加固的作用机制,基于随机模拟技术建立加锚散粒体的三维随机颗粒模型,采用颗粒形状系数控制颗粒表面的不均匀起伏程度,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒之间、颗粒与锚固体、颗粒与承托结构的相互接触,颗粒的物理力学性质服从Weibull概率分布,采用细观损伤软化模型描述颗粒的变形和破碎。分别建立散粒体和加锚散粒体的三轴数字试样,采用位移加载来进行不同围压下的常规三轴剪切试验,研究不同加锚密度对散粒体工程力学特性的影响。数值模拟结果表明:锚杆加固的作用机制为锚固体与颗粒紧密接触、相互咬合形成摩擦阻力,承托结构形成对颗粒体的径向助力,锚杆与其附近的颗粒形成锚固区;锚杆加固能显著提高散粒体的抗剪强度和整体性,峰值主应力差提高37.8%～88.8%,初始模量提高37.4%～93.2%,内摩擦角提高13.3%～24.2%。