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。     

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。     

渗流分析中排水孔和不连续面模拟的复合单元法

基于变分原理,研究渗流分析中模拟排水孔和不连续面的复合单元法。该方法将不连续面隐含于复合单元之中,并根据其切割情况将该岩体单元划分为若干个岩块子单元,同时视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于复合单元内部,但排水孔和不连续面无需在计算网格中绘出。复合单元法可以方便地处理排水孔穿越不连续面的情形,并且计算网格可以不受不连续面和排水孔的数量和位置的影响。如果计算域中不含排水孔和不连续面,复合单元法将自动退化为常规的有限单元法。该方法可以降低网格剖分的难度,提高计算效率,算例分析表明该方法是有效和可靠的。     

无网格法对岩体不连续面的模拟

 鉴于以Goodman单元为代表的界面单元在传统有限元法中取得了广泛而成功的应用,因而采用无网格法进行岩土工程数值分析时,首先考虑引入Goodman单元以模拟不连续面。详细分析将Goodman单元引入无网格法模拟不连续面的可行性和当前研究所存在的问题。研究结果表明,由于Goodman单元最初的应用对象是有限元法,其位移模式实质是为了实现与其相连接的有限单元相协调;而无网格的位移模式是基于离散节点的,对于不同的待插值点,影响域覆盖该插值点的节点及其数量也不相同;因而必然存在着无网格法的位移模式与Goodman单元边界上假定的位移模式不相协调的问题。解决这个问题的关键是在考虑节理单元的刚度对总体刚度矩阵的贡献时,应采用数值积分计算得到节理单元的刚度矩阵而不是简单的将传统解析表达式累加到求解系统的总体刚度矩阵中去;考虑到上述特点,界面单元可以隐式或显式出现在计算模型中。以自然单元法为例详细介绍显式和隐式Goodman单元的具体实现方案,并给出相应的算例进行数值验证和对比;所提出的思路对于一般的无网格方法都是适用的。     

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。     

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。     

一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法

提出了一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法。首先,对含多条不连续面的复杂岩体,将其离散成不含不连续面的整体网格和各条不连续面及其邻近区域的局部网格,而且网格之间相互独立。位移场通过在各网格中插值并叠加得到。然后,由虚功原理推导出了整体平衡方程中的广义刚度矩阵和荷载向量的具体表达式,并对其数值积分方法进行了讨论。最后,分析了2个平面应力问题的算例,且通过与有限单元法的计算结果进行对比,验证了叠单元法的准确性和合理性。叠单元法的最大特点是可以将复杂岩体的网格划分工作分解成几个相互独立的简单网格,从而使网格离散变得简便易行。该方法可以直接推广到三维问题和非线性问题中,因此,有望广泛应用于复杂岩体的变形与稳定分析。     

裂隙岩体温度场数值流形方法初步研究

基于三角形有限覆盖数值流形理论,提出了裂隙岩体二维不稳定温度场求解的数值流形方法(NMM),并推导了第一类温度边界条件处理的罚方法,给出了计算格式。数值流形方法采用两套覆盖,其中数学覆盖独立于求解区域,生成数学覆盖时不用考虑裂隙数量、位置和方向,避免了常规方法处理裂隙处网格划分的不便。对于裂隙岩体,裂隙两侧对应不同流形单元,可以实现温度的不连续模拟。裂隙作为内部流形单元或外部边界条件叠加进入到温度场的总体求解矩阵中,实现了裂隙岩体温度场的数值流形求解。该方法具有较高精度,且能求解任意多条裂隙的岩体温度场问题。最后对部分文献算例进行计算,结果具有较好的一致性。     

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的＂充填介质＂,采用＂充填模型＂将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为：法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性：局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。     

加锚固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绍，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。     

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。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

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。