节理岩体自适应有限无分析方法及其工程应用

基于Ｇｏｏｄｍａｎ节理单元的应力精度分析,本文提出了一种将节理视为内部应力边界的节理岩体自适应有限元分析方法,并且使用四边形单元和网格再生成法,实现了承受压剪作用的单一裂纹试件和一边坡工程问题的网格加密型（ｈ型）自适应分析。     

岩体节理在动荷作用下的有限元分析

本义用约束节理单元法模拟应力波在节理处的传递过程。推导了动态约束节理单元的有限单元方程和数值分析公式以及碰撞、放释条件，并针对奥地利某公路隧洞工程进行了爆炸应力波在节理岩体中传播的有限元分析。     

在节理网络图上全自动生成有限元网络

提出一种在节理网络图上全自动生成有限元网络的方法，并用程序将其实现。该方法首先将具有节理网络的计算域，依据一定算法转化成单连通域，然后在单连通域内按ＡＦＭ法生成三角形单元，在节理上生成节理单元，所有的三角形单元和节理单元构成整个区域的有限元网格。     

在节理网络图上全自动生成有限元网格

提出一种在节理网络图上全自动生成有限元网格的方法,并用程序将其实现。该方法首先将具有节理网络的计算域,依据一定算法转化成单连通域,然后在单连通域内按ＡＦＭ法生成三角形单元,在节理上生成节理单元。所有的三角形单元和节理单元构成整个区域的有限元网格。     

混凝土局部损伤裂缝带模型研究

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性,在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中,建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程,可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要;在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度,可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系;提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法,可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应,从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟,验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

应用单元劈裂法模拟三维内嵌裂纹扩展

 对于岩石内嵌裂纹很难通过物理试验进行研究,在应用有限单元法模拟内嵌裂纹扩展时,三维节理面建模、网格划分以及节理扩展后的网格处理一直是难点问题。为简单、高效地分析含有内嵌型不连续面的节理岩体的破坏模式,利用三维单元劈裂法来解决这一问题。单元劈裂法是利用四面体单元的几何性质来构造的一种特殊的四结点节理单元。当有裂纹穿过四面体单元时,位于裂纹两侧的结点可形成3或4个接触点对,由此推导出劈裂单元的刚度矩阵。采用该方法模拟内嵌裂纹扩展时,可以不用考虑节理岩体的几何完整性,而直接对整个岩体进行网格划分。因而一些单元则被内嵌裂纹相切,对于与裂纹相切的单元采用劈裂单元刚度矩阵,而其余单元则采用常规单元刚度矩阵。由此免去了单独设置三维节理单元的麻烦以及为设置节理单元而不断改变网格划分方案的麻烦。这种优势在裂纹数目较多时尤为突出,非常适合节理岩体计算。通过对内嵌椭圆裂纹扩展模拟并与相关物理试验做对比,得出该方法能够再现三维内嵌裂纹扩展的基本特征,说明该方法是有效的。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

Local damage and crack band model for concrete

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性，在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中，建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程，可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要；在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度，可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系；提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法，可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应，从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟，验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

椭圆形节理岩体单元受压时的结构力学分析

多节理岩体的力学计算是岩体力学中最困难的问题之一,将该问题简化为椭圆形节理岩体单元受压力作用问题,用传统的结构力学方法进行分析,得出了节理岩体单元的应力分布规律,为进一步分析复杂岩体问题提供了参考。     

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究

 发展能有效模拟岩体节理拉压破坏动态扩展过程的无网格模拟方法,构造岩体节理张开和闭合接触摩擦行为的无网格法近似函数,采用水平集坐标描述和捕捉节理在扩展过程中的几何信息。当节理张开时,引入断裂线,并采用衍射准则引入位移跳跃项。当节理闭合时,提出类似于Goodman接触摩擦单元的无网格近似函数构造方法,考虑节理面上、下两侧的相对滑动和法向接触。与Goodman单元或以往的无网格模拟不同,本文的接触方法基于材料点而非结点,并与水平集坐标更新算法结合,在处理节理模型生成和动态扩展后的模型更新上更灵活、简便,且具有通用性。通过测试拉剪、压剪破坏单节理和雁行节理的静态和动态破坏扩展过程的算例,验证了本文方法的正确性和有效性。     

岩石边坡稳定性与支护的数值分析及综合比较

 断层或节理裂隙等不连续面的切割导致岩体具有二重性——连续性和不连续性。由于目前还没有一种能考虑岩体二重性的实用的分析方法,所以对岩石边坡进行稳定性研究时应采用多种方法进行综合比较。采用有限单元法(属于等效连续介质力学方法)和块体单元法(属于不连续介质力学方法),对瀑布沟加里俄呷料场高边坡进行稳定性分析及支护研究。根据2种方法计算结果的综合比较分析,得到对该边坡的稳定性和支护方案的认识。研究结果还表明：若节理连通率的影响仅用强度参数表达,而在计算网格中不予考虑,则有限单元法和块体单元法得到的结果规律一致,且量值相差不大;由于块体单元法完全通过节理体现岩体的变形,而有限单元法则可考虑岩块的变形,所以有限单元法得到的位移值、屈服区及锚杆应力比块体单元法稍大。     

模拟热–水–应力耦合作用的三维节理单元及其数值分析

对于具有相同厚度的空间8节点等参数节理单元,考虑温度和孔隙水压力的影响,将其的应力–位移关系加以拓展,建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程,使之可用于分析饱和–非饱和岩体中存在不连续面时的热–水–应力耦合问题,并结合实体单元,研制出相应的三维有限元程序。针对一个假定的核废物地质处置模型,通过有、无节理的热–水–应力耦合过程数值分析,显示与无节理的情况相比,由于节理的存在使得近场岩体中的温度、应力及水流速度的分布与数值都发生了明显的变化,特别是节理附近的岩体中有某种水流"冷却"作用和一定程度的应力集中现象,其它部位岩体的应力也有所增加。     

含排水孔渗流场的p型自适应复合单元法分析

用复合单元法进行渗流分析时，视排水孔为强渗透介质，并将其作为“空气子单元”置于常规岩（土）体单元内部，形成涵盖排水孔的复合单元。复合单元法的计算网格可以较为“粗糙和随意”。但山于在排水孔附近流场，变化剧烈，常规的低阶形函数已不能满足精度要求。采用P型自适应技术提高复合单元的形函数阶次后，就能够较好地模拟排水孔附近处的渗流场。应用P型自适应复合单元法，可以将复杂的前处理问题转化为复杂的计算问题，从而极大地降低了对网格剖分的要求，当排水孔的位置发生变化时，也无需改变计算网格。算例分析表明该方法的优越性。     

基于ABAQUS的沥青混凝土铣削建模

本文在ABAQus／Explicit模块下采用物理分离准则与单元剪切失效对沥青混凝土铣削过程进行了建模,同时采用ALE自适应网格法来控制单元网格变形。对自适应算法和做法进行了阐述,对建模时的单元分网、定义接触、定义边界条件与约束进行了介绍。对沥青混凝土的铣削过程进行了仿真,得到了不同切削速度下的切削应力与刀具受力大小,为铣刨机的设计打下了基础。     

一种广义节理元模型

采用传统节理元近似模拟岩石破坏过程需要同时增加单元和节点,过程非常复杂。为了更有效模拟岩石岩石破坏过程产生的节理,建议了一种只包含2个节点的广义节理元的模拟方法,通过推导给出了基本方程,提供了单元信息设置方式。采用该广义节理元近似模拟岩石破坏过程只需要增加单元,不需要增加节点。模拟实例表明：采用广义节理元法模拟效果在应力方面精度和传统节理元法的精度一样,该广义节理元法有效可行。     

含断续节理岩体的断裂力学数值分析

本文论述了岩体工程中断裂力学数值分析的原理,阐明了在含断续节理的岩体中进行这种分析的基本方法和一般步骤。分析中考虑了荷载作用下因节理的扩展而引起的岩体物理力学性质的改变,进而导致岩体应力、变形的变化和发生节理扩展的岩体范围的扩大。根据单元性质转换原理,编制了逐次加载法的三维有限元程序。将这种分析实际运用于240m高拱坝坝肩,获得了岩体应力、变形和发生节理扩展的岩体范围等多方面的资料。     

有限元上限分析网格自适应方法及其工程应用

网格离散误差是有限元上限分析计算误差的主要来源。为了对计算网格进行优化,从而有效地降低数值离散误差,基于前沿推进网格划分技术并以单元内能量耗散率的相对大小为控制指标,提出了一种有限元上限分析的网格自适应策略。首先,引入前沿推进网格划分技术,实现在网格生成过程中对单元尺寸和形状的灵活控制;其次,将当前计算网格中各单元能量耗散率的相对大小转化为新计算网格中单元尺寸的分布信息,并以此指示新计算网格的生成,成功地实现了有限元上限分析计算网格的自适应优化;最后,通过算例分析验证了所提出方法的有效性。     

不连续面对饱和–非饱和介质热–水–应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和–非饱和介质中的热–水–应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。