加锚岩体的三维复合单元模型研究

首先提出了复合单元的概念，然后将其应用于建立砂浆固结锚杆的分析模型。该模型考虑了岩体、砂浆、锚杆、岩体/砂浆接触面、砂浆/锚杆接触面等多重介质。借助阶谱的概念，复合单元可以纳入常规有限单元法分析中去。当某单元不含锚杆时，即退化为常规有限单元。应用该模型进行加固布设优化分析，当单元内锚杆的数量与方向改变时，计算网格无需变化，从而为大规模三维复杂结构计算分析的前处理提供较大便利。模型在有限单元软件CORE3中实现。并提供了计算实例。     

复合单元法在地下厂房岩壁吊车梁中的 应用与验证

 针对某水电站地下厂房岩壁吊车梁,进行复合单元法和普通有限单元法的比较计算。研究的重点是岩壁吊车梁与围岩的接触面、锚杆与围岩的接触面以及锚杆穿越岩壁吊车梁与围岩接触面等部位,并且考虑地下厂房开挖施工、吊车梁安装和运行的过程。比较复合单元法和普通有限单元法的计算特点与计算效率,研究结果表明：在离散模拟加锚节理岩体方面,复合单元法和普通有限单元法的结果非常接近;复合单元法能给出更多应力–应变的细节,且前处理更加简便。研究结果还表明：由于复合单元法以大量的计算代替前处理工作,因此计算时间大为增加。     

任意岩石锚杆计算模型及其算法

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性，提出了任意岩石描杆的计算模型，该模型能考虑任意方向穿过岩体单元的锚杆，且岩体单元的划分不需要考虑锚杆的具体位置，锚杆信息可由已形成的岩体单元信息自动生成，可以适应岩石边坡、复杂地下结构支护分析以及加锚参数优化设计。应用表明，该模型方便可行，提高了加锚岩体数值模拟的适用性。     

不连续岩体温度场的复合单元模型初步研究

 基于复合单元法原理和不稳定温度场的隐式解法,提出针对不连续岩体温度场的复合单元法。该算法的特点是每个复合单元可以含有任意的不连续面,如断层或节理,且当结构中含有需在计算中离散处理的不连续面时,网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。初步研究针对含1条节理的复合单元模型展开,假定岩块中无对流和辐射影响,推导岩块子单元和不连续面的热传导计算式,得到不连续岩体温度场的复合单元算法基本方程组,然后将该算法整合到传统有限元分析程序中。分别采用传统有限单元和复合单元法模拟热水流过单条裂隙时岩体温度场的变化过程,二者的计算结果非常接近,表明不连续岩体温度场的复合单元算法是合理和有效的,但其配套的温度场等值线后处理程序有待进一步完善。该算法的提出为深部岩体的多场耦合研究提供又一思路。     

任意岩石锚杆计算模型及其算法

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,提出了任意岩石锚杆的计算模型,该模型能考虑任意方向穿过岩体单元的锚杆,且岩体单元的划分不需要考虑锚杆的具体位置,锚杆信息可由已形成的岩体单元信息自动生成,可以适应岩石边坡、复杂地下结构支护分析以及加锚参数优化设计。应用表明,该模型方便可行,提高了加锚岩体数值模拟的适用性。     

地下洞室隐式锚杆柱单元的三维弹塑性有限元分析

本义根据地下洞室锚杆与围岩固结联合作用机理,提出了一种锚杆与其周围固结岩体组合形成的隐式锚杆柱单元。因为该单元隐埋在岩体有限单元中,因此有限元网络划分不受锚杆布置的影响,便于不同布锚方式的研究计算,大大加快了锚杆有限元计算的速度。对某地下工程实例的分析,证明这种计算模式充分反映了锚杆支护对于围岩稳定的支护效应。     

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。     

锚固层状岩体的复合加固理论与数值模拟试验分析

根据复合材料力学的理论和方法,将层状岩体-砂浆-锚杆支护系统看成一种由岩体(基体)、锚杆(增强材料)和砂浆(黏结材料)组成的加固复合材料,建立这种复合材料的细观力学等效模型。理论分析这种锚固复合材料的宏观力学性质与其各组分材料性能以及细观结构之间的定量关系;在大型商业有限元软件基础上进行二次程序开发编制,进行锚固复合材料的数值模拟试验研究,分析岩体强度、锚杆尺寸、砂浆强度以及锚杆几何布置间距等参数变化对层状岩体锚固复合材料的黏聚力和内摩擦角值的加强增长幅度,定量评估岩体锚固复合材料的等效强度特性。运用所建立的岩体锚固复合支护系统等效力学模型计算了锚固岩体相似模型试件的弹性常数和黏聚力和内摩擦角值,理论与数值模拟分析结果与岩体锚固的模型试验结果具有较好的吻合度,表明所建立的理论模型和数值分析方法是可靠的,可为岩土工程的设计与稳定性评价提供参数依据。     

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理，提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点：（1）不连续面（如断层或节理）含于复合单元之中，在划分网格时不予考虑，使网格的生成大大简化：（2）复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元，每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到，而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到；（3）复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似，不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元，因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性，而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。     

裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法

 针对裂隙岩体渗流非连续、非均质和各向异性的特点,提出裂隙岩体非稳定渗流的复合单元算法,给出详细的计算格式和数值处理的关键技术,包括复合单元的前处理、求解自由面边界流量项的积分方法以及溢出边界的判断准则。该算法的特点是：(1) 可准确地离散岩体内任意分布的裂隙;(2) 可考虑岩块的渗透性及其与裂隙间的水量交换;(3) 可与传统有限单元计算程序无缝整合;(4) 复合单元的拓扑信息由裂隙面和常规有限单元的交切计算生成,由于事先未考虑裂隙的存在,极大地减轻了人工剖分网格的工作量;(5) 对裂隙岩体非稳定渗流过程中裂隙与岩块渗流不同步的现象具有较强的描述能力,并能提供近似于有限单元法的计算精度。通过典型砂槽试验验证了该算法的正确性和有效性。最后,对裂隙岩体进行非稳定渗流分析,计算结果很好地反映了岩体内水压力的传递过程,实现了对裂隙与岩块因水力特性不同而导致的不同于整体流向的局部流动的模拟。     

Composite element method for the bolted discontinuous rock masses and its application

This paper presents a composite element method (CEM) for discontinuous rock masses reinforced by fully grouted bolts. This element allows one to generate mesh without considering exactly the existence of bolts and joints, which further allows for an important simplification in the pre-process work. The sub-elements of rock, grout, bolt, joint, rock/grout interface and bolt/grout interface are defined using corresponding mapped nodal displacements at the composite element. The mapped nodal displacements can be determined using the governing equations established by means of the virtual work principle. Based on the mapped nodal displacements deformation and stress in each sub-element can be further obtained. The comparative study of the CEM and the conventional finite element method (FEM) has been carried out for the preliminary verification example. The numerical study for the rock bolt crane girder of an underground powerhouse by FEM and CEM is presented as the engineering application example, in which the attention has been paid to the portion of the contact face between the girder and surrounding rock masses, the contact faces between the bolts and surrounding rock masses, as well as to the portion where the rock bolt penetrates the contact face. The comparative and application studies show the validation and advantages of the CEM.     

加锚岩体的阶谱复合单元法研究

加锚岩体有着复杂的非线性的变形模式，常规的线性基函数不能满足成模拟这种非线性的要求，若进一步细分网格，又会增加前处理的工作。引入阶谱技术，建立阶谱复合单元法，其基本思想是在复合单元中增加虚节点，扩大容许函数容量，通过使用阶谱基函数，提高计算精度。在广义节点下分析复合单元，使用阶谱复合单元法模拟加锚岩体，随着升阶，能够从物理本质上更好的拟合加锚岩体复杂的力学性质；在粗糙单元网格下逼近真实值，减轻网格的束缚。对阶谱复合单元法进行理论推导和实例研究，通过与有限单元法和复合单元法计算结果的比较，发现在较粗糙计算网格情况下随着升阶，阶谱复合单元法计算结果有明显的改善。     

不连续岩体的三维弹粘塑性复合单元模型研究

阐述了复合单元法的原理，并在此基础上提出了针对不连续岩体的算法。该算法最突出的特点是每个复合单元可以含有几个不连续面，如断层或节理。该算法的主要优点是可以方便地整合到传统有限元分析程序中，且当结构中含有较多需在计算中离散处理的不连续面时，计算网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。算例表明这种新方法是合理和有效的。     

含复杂裂隙网络岩体渗流特性研究的复合单元法

研究含复杂裂隙网络岩体渗流特性的复合单元法，该方法首先利用蒙特卡罗方法随机生成符合给定概率分布特征的复杂裂隙网络；然后通过叟切和拓扑运算将各裂隙段置于常舰有限单元内部，形成内含由多个裂隙段分划而成的子单元的复合单元，根据推导的公式计算渗流场进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下几个主要特点：（1）可与传统的有限冗法融合;（2）可考虑每条裂隙的具体位置、产状、开度、长度和渗透性质；（3）可考虑岩石的渗透性及其与裂隙间的流量交换；（4）可计入不连通裂隙对渗流场的影响；（5）复合单元的拓扑信息由裂隙网络与常规有限单元边界的交切及其单元内部裂隙段的相互交切面生成，由于先没有考虑裂隙，故复合单元前处理简单。用复合单元法分析含复杂裂隙嘲络岩体的渗流行为及其渗流特性是一种新的数值模拟手段。算例分析表明该方法的可行性和有效性。     

裂隙岩体稳定/非稳定渗流数值模拟

 发展裂隙岩体稳定/非稳定的渗流数值模型,一方面,依照裂隙面的密度、产状、位置、大小和开度的统计分布规律,使用蒙特卡罗模拟技术将完整岩石切割为三维不规则块体集合。根据相邻块体单元间产生的裂隙单元,构建三维裂隙网络系统,并附加各裂隙单元的水力特性;另一方面,对裂隙单元进行三角形单元的有限元网格划分,运用变分原理导出裂隙单元的渗流有限元求解方程。采用离散元方法中的动态松驰技术,在无须组装整体渗透矩阵的情况下求解裂隙网格各结点的水头值。最后,通过典型算例验证程序的可靠性及适用性。