考虑渗流和锚固作用的强度折减有限元法研究

 针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,探索适合于强度折减有限元法计算和参数优化的新的锚杆计算模型,研制出一个考虑渗流场和由于泡水含水量变化引起岩土体强度参数降低及锚杆支护作用的三维强度折减有限元程序,该锚杆计算模型能够考虑锚杆和岩土体间黏结力不够的锚杆失效形式。通过实例计算并与传统极限平衡法实例计算分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行评价。结果表明,采用三维强度折减有限元法确定考虑渗流场和由于泡水含水量变化引起岩土体强度参数降低及锚杆支护作用的边坡稳定性安全系数是可行的。     

十年来我国计算岩土力学发展浅述

<正> 十年来我国计算岩土力学无论在计算方法、程序编制还是在工程应用等方面都取得了重要的进展。从七十年代初期的线弹性平面问题的计算分析发展到现今对三维非线性、大变形、时间效应、粘弹塑性等问题的计算分析。目前计算方法也是多种多样的。从有限元到边界元、离散元、杂交元,块体法以及无穷元法等等。此外半解析元法、摄动有限元法和反分析方法亦日益引起人们注意。在工程应用方面,计算岩土力学已广泛应用于各种岩土工程结构的分析设计。课题涉及到工程开挖、地下洞室、边坡、堤坝等水工建筑、各种形式的地基基础,以及地应力、渗流,岩土介质与上部结构的相互作用等等。计算岩土动力学,如应力波在岩土介质中的传播和动态断裂问题也有很大进展。     

岩土工程实践中几个问题的思索

通过对岩土工程实践中出现的一些问题，如：多层住宅超限的不均匀沉降，桩基承载力差异，地基加固深度及改良土的物性确定，渗流固结边界条件影响等等，引起对岩土工程一些基本问题的思考，也是对未来岩土工程理论发展的期望。１、深入对土层构造研究，应用横观各向同性介质模型计算；２、从研究土层微观结构出发探索土体变形宏观计算方法；３、将地基与基础非线性研究推向实用阶段；４、开展三维固结理论的应用研究，并考虑实际边界条件的影响；５、改性后的土体物理力学参数确定是了解地基加固效果的前提；６、原位试验是对自然历史产物的物性了解的重要手段。     

水平矩形浅锚极限抗拔力分析

在对锚板极限抗拔力进行分析时,既有研究手段和方法基本上都建立在相关联流动法则和岩土体材料的线性破坏准则基础上,然而大量实验成果证实岩土体材料一般并不遵循相关联流动法则且破坏准则具有非线性,因而现有极限抗拔力计算结果往往偏大。在上限定理的基础上,根据非相关联流动法则和非线性破坏准则,分别通过修正岩土材料的抗剪强度参数c*,φ*引入非关联流动法则和通过"切线法"引进非线性抗剪强度指标ct,φt的方法,研究了水平矩形浅埋的极限抗拔承载力问题。研究结果表明:岩土体材料的剪胀特性和岩土材料破坏准则的非线性对锚板基础的承载能力和稳定性有着重要的影响,因而客观评价岩土体材料的真实力学特性将更加符合工程实际。     

水库水位上升条件下渗透系数对顺层滑坡的稳定性分析

为了分析水库水位上升对顺层库岸滑坡稳定性产生的不利影响,以某典型顺层库岸滑坡为工程背景,采用GEO-SLOPE计算软件,计算了不同渗透系数的边坡岩土体在库水位上升时的渗流场,在此渗流场基础上,对顺层滑坡的稳定性进行了数值计算,并对计算结果进行了分析,得到了顺层滑坡在库水位变化条件下的安全系数和边坡岩土体的渗透系数之间的关系,为顺层库岸滑坡的边坡稳定性分析提供了可靠依据。     

综合改进的遗传算法反演三维地下水流模型参数

在简单的遗传算法的基础上，提出了一种综合改进的遗传算法，在反演地下水水流参数时，具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点。以非均质各向同性承压三维非稳定流动为理想模型，结合有限元法讨论了用遗传算法反演水文地质参数的过程。综合改进的遗传算法非常有效，在地下水渗流和水资源评价计算中有广阔的应用前景。     

第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层地下水疏降引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,建立了地下水疏降与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型,并采用三维有限元数值分析方法,以上海市地铁四号线董家渡段隧道修复深基坑降水为例,模拟预测了基坑中心水位降至标高-23.4 m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征。该模型稳定性好,收敛速度快,能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构,具有重要的工程实用价值。     

岩体渗流–应力耦合有限元计算的精细积分方法

在Biot固结方程的基础上，引入介质渗透系数张量随应力张量的变化函数，建立能反映介质中应力场与渗流场非线性耦合作用的微分方程组，并在此基础上进行渗流–应力耦合问题的有限元求解。在有限元计算中采用精细积分方法进行时间离散，即可得到渗流–应力耦合有限元计算的解耦形式，也避免传统的时间差分法收敛速度慢、计算精度低、迭代过程易振荡的缺陷。结合工程实例，检验所提出算法的有效性。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

岩体渗流-应力耦合有限元计算的精细积分方法

在Biot固结方程的基础上，引入介质渗透系数张量随应力张量的变化函数，建立能反映介质中应力场与渗流场非线性耦合作用的微分方程组，并在此基础上进行渗流-应力耦合问题的有限元求解。在有限元计算中采用精细积分方法进行时间离散，即可得到渗流-应力耦合有限元计算的解耦形式，也避免传统的时间差分法收敛速度慢、计算精度低、迭代过程易振荡的缺陷。结合工程实例，检验所提出算法的有效性。     

地下工程渗流断层数值模拟的隐式复合材料单元法研究

结合地下工程渗流场三维有限元分析复杂性的实际,对断层的处理进行积极探讨。在拟连续介质模型的基础上,充分利用有限元法的特点,首次提出用隐式复合材料单元法对主要断层进行模拟。算例验证了该法的正确性和实用性。     

Modeling nonlinear flutter behavior of long-span bridges using knowledge-enhanced long short-term memory network

The nonlinear characteristics of bridge aerodynamics preclude a closed-form solution of limit-cycle oscillation (LCO) amplitude and frequency in the post-flutter stage. To address this issue, a long short-term memory (LSTM) network is utilized as the reduced-order modeling of nonlinear aeroelastic forces on the bridge deck section, and it is repeatedly employed to generate force inputs at spanwise nodes of a three-dimensional (3D) finite element model (FEM) of the long-span bridge (using spatial beam elements). All LSTM networks are dynamically coupled through FEM, and the 3D nonlinear flutter response is accordingly obtained. To improve the simulation accuracy and reduce the required training data of the standard LSTM network, both general knowledge (motivated by the gating mechanism and mathematical models for information processing) and domain knowledge (resulting from the basic understanding of bridge aerodynamics) are leveraged to, respectively, customize the LSTM cell and network architecture. In addition, a fast-training algorithm effectively combining the linear convergence of stochastic gradient descent and superlinear convergence of modified Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno is developed to improve the training efficiency of the obtained knowledge-enhanced LSTM network. To further advance the computational efficiency of the coupled LSTM-FEM nonlinear flutter analysis, the convolution-based numerical integration is adopted in the finite element modeling of long-span bridge dynamics. A case study of a long-span suspension bridge under strong winds demonstrates the proposed 3D nonlinear flutter analysis presents high simulation efficiency and accuracy and can be utilized to effectively obtain the nonlinear LCO characteristics in a wide range of post-flutter wind speeds.     

渗流反分析中交替迭代算法神经网络研究

针对经典算法BP网络存在的一些缺陷，提出了一种交替迭代算法神经网络，并用FORTRAN语言编制了该程序。在相同的初始条件下，将交替迭代算法神经网络和经典算法BP网络进行了比较，得出了交替迭代算法神经网络的特点和优点。在算例中，基于人工神经网络的非线性特点，在三维渗流有限元的基础上，结合该原理反演了水闸地基的渗透系数比值。与真实值的比较说明，反演结果是精确的，从而更进一步验证了该方法应用于反演分析中的可靠性。     

破碎岩体中气体渗流的非线性动力学研究

在采矿和岩土工程中,破碎岩体中的渗流具有非线性、非稳态及参量时变等特点,外界扰动下渗流参量的渐变易引起渗流系统动力学响应的突变,引发突水及气体突出等动力学灾害.采用非线性分岔及突变理论研究破碎岩体中气体渗流失稳的动力学机制.建立气体一维非稳态、非达西渗流的非线性动力学模型,给出量纲一化后的速度平衡态解图,得到渗流平衡状态的孔隙压力、渗流速度的分布规律,即平衡时沿着渗流方向,各点的量纲一孔隙压力与渗流速度的乘积为一常量,且压力的平方呈线性下降.通过低松弛迭代法给出渗流系统相应于不同渗流参数时的动力学响应.研究结果表明,破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔,分岔点处破碎岩体的颗粒棱角破碎现象相当显著,渗流处于临界稳定状态,此时对应于任意小的扰动系统都会发生折叠突变,引发突出动力灾害.     

三维任意裂隙网络渗流模型及其解法

 首先,分析三维裂隙网络渗流分析模型需解决的2个关键问题,即如何获得结构面网络相交形成的裂隙渗流通道、如何计算二维任意形态区域的渗流问题。采用全空间块体搜索(三维块体切割)技术,得到封闭块体的边界就是渗流通道,块体边界的连接关系就是渗流有限元计算节点的连接关系;块体边界的裂隙面(或临空面)由不同形态、不同数量的回路构成,将每个回路上的渗流考虑为二维连续介质渗流,在面的局部坐标系下,通过单纯形积分解决任意形态回路上的渗流问题。然后,根据计算节点连接关系,形成总体渗流矩阵和渗流控制方程后就可实现三维任意结构面网络渗流计算。最后,采用算例对理论分析过程和计算程序进行检验,并将三维结构面网络渗流分析结果应用到块体系统渐进失稳分析中。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

广州城区地下空间开发对地下水环境的影响研究

广州城区基岩埋深较浅,地下空间开发可能对地下水环境造成影响。为分析研究这种影响,必须解决城区渗流场简化计算和地层参数插值分析2个基本问题。针对城区渗流场固有的特点,基于水平面二维有限元数值计算方法,对城区渗流场中的地下结构奇异角点,悬挂式阻水结构和建筑间缝隙等的模拟提出相应简化方法,在不失精度的前提下,用尽量粗的网格实现对城区渗流场分析。利用Kriging方法对广州城区渗流场的地表高程、当前地下水位、岩面高程和渗透系数进行插值,计算结果与实际地层的变化较为吻合,可为广州城区渗流场的数值分析提供合理的计算参数。     

地质缺陷对拱坝及坝基力学行为的影响

  通过对一个坝址地质结构较为发育的拱坝作三维有限元非线性分析,分析了温度、渗流,地形地貌,地基上的地质缺陷等对拱坝及大坝运行时地基的力学行为的影响。并给出了复杂地基的拱坝的位移场、应力场的分布规律和传力特性。对大坝及基岩上塑性区产生的机理,形式和发展趋势作了分析。     

考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析

降雨或库水位变化造成的土坡失稳现象与土体中的非饱和非稳定渗流密切相关,考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析方法是值得深入研究的课题。主要对考虑非饱和非稳定渗流的极限平衡法和位移有限元法进行评价和对比,着重讨论了强度折减有限元法在考虑渗流作用的土坡稳定分析中的应用,给出了一些初步成果,并提出了今后的研究方向。