自适应有限元不同网格间力学结果传递方法及程序实现

对于依赖于加载历史的自适应有限元分析问题,不同网格间力学结果的传递过程起着重要作用。基于按距离加权平均的改进插值方法,研究分步加载时自适应有限元不同网格间力学结果的继承问题。为使传递结果合理并减小计算工作量,插值方法采取选择邻近数据点、考虑方向影响、适当提高结果场的光滑性并使其通过全部已知数据点等措施;针对开挖过程中结构介质不断改变、开挖工作面不断移动及不同开挖步引入的介质之间场变量不连续等特点,采取分区划分网格并插值方式,构造不同网格间应力及位移结果的传递过程。所述传递过程,能为自适应有限元模拟多步骤开挖及弹塑性增量荷载分析等各种分步加载计算问题的解决提供有利条件。最后,给出2个算例以验证传递过程的可靠性。按增量荷载初应力方法对厚壁筒弹塑性分析表明,其结果与理论解吻合;模拟多步开挖的工程实例计算结果亦展示出所述传递方法的有效性。     

岩质边坡开挖过程模拟的动态有限单元法

 借鉴流形元的思想,提出三维岩质边坡开挖过程模拟的动态有限单元法。该方法在模拟边坡开挖过程中,建立有限元网格时仅需考虑结构面和复杂地形,而不用考虑开挖面的位置;开挖面信息仅作为动态参数在计算过程中实时输入,大幅度降低了前处理的难度。该方法根据几何拓扑判断,计算确定单元中的保留域和开挖域。运用常规有限元的位移插值模式,组装整体刚度矩阵和荷载向量,并运用加密高斯点法完成数值积分。其中,整体刚度矩阵来源于保留域,开挖域则提供开挖荷载。编制相应的计算程序,并将其应用于小湾孔雀沟料场边坡的开挖仿真分析中,通过该方法计算结果与常规有限元法计算结果进行对比,证明该方法的有效性。该方法的最大优点在于前处理简单,能运用于复杂边坡、洞室的快速开挖仿真和体型优化分析中。     

隧道开挖释放荷载的有限元模拟方法研究

针对平面应变问题下隧道开挖释放荷载的有限元模拟方法,总结分析了常用的Mana法、刚度折减法和支撑荷载法,并从体系平衡的概念,论述了各种方法的思路与实现过程,指出支撑荷载法概念清晰、计算简便,便于通用有限元软件实现,更适合多施工步开挖模拟。     

开挖及动荷载作用下边坡响应的DDA方法研究

对适用于分析边坡在开挖及动荷载作用下的响应情况的不连续变形分析(DDA)方法进行研究。首先,利用基于生死单元的DDA方法模拟边坡的开挖过程,并分析边坡的开挖变形,通过与有限元法计算结果对比,证明该方法的正确性;其次,为克服传统的DDA方法不考虑介质中产生的散射波在边界的反射问题,实现基于黏性边界理论的地震波输入方法;此外,在DDA方法中引入自由场边界,通过实例分析表明在利用DDA方法进行动力分析时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加黏性边界的模拟效果。将改进的DDA方法运用于边坡工程的动力响应分析,通过与经典有限元法的对比,证明了改进DDA方法的正确性。     

隧道开挖与支护的力学性能分析

从有限元建立、隧道工程中的力学效应、开挖与支护的过程模拟等方面进行了隧道开挖与支护的有限元分析,对软岩圆形隧道开挖荷载下衬砌影响因素进行了数值模拟,得出了一般性的规律。     

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。     

预应力轻钢网格楼盖的有限元分析

利用荷载分配法把楼盖上的均布荷载分配到网格楼盖的各个节点,然后再把预应力轻钢网格楼盖结构视为单方向预应力连续梁进行了有限元模拟分析,并将利用有限元方法计算的值与理论计算值进行比较,结果表明该方法精度较高,为模拟预应力轻钢网格楼盖结构的受力性能提供了新的方法和途径。     

分步开挖过程中基坑支护结构的变形和土压力性状研究

针对基坑分步开挖过程中支护结构的变形及土压力的性状进行了有限元分析,介绍了有限元建模和计算的过程,成功地计算出在分步开挖各个阶段,支护结构变形和主动区土压力的分布情况,并与实际监测数据和经验结果进行了比较。另外,还系统研究了基坑分步开挖的计算方法和过程,较详细地分析了基坑开挖荷载的形成情况,提出了一种适合工程实际的开挖荷载计算方法。     

现代气压沉箱刃脚土体稳定性分析

利用有限元方法,建立了轴对称模型以模拟气压沉箱施工过程。通过大变形数值模拟,分析了各种开挖工况下,沉箱在自重以及施工荷载作用下的稳定状态以及土体塑性区的分布情况。对比沉箱开始失稳时的各种开挖工况,最后得出最为方便有效的开挖方案,并在实际施工过程中进行了验证。     

深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

深基坑开挖支护的弹塑性有限元数值模拟与分析

长江润扬大桥北锚碇基坑平面69m×50m ,深达48m ,采用弹塑性有限元方法对该超大深基坑的开挖和支护过程进行了数值模拟 ,分析施工过程中支护结构和周围土体的受力、变形及塑性区发展状况。由于该方法比弹性地基梁(板)的基床系数法能更好地模拟深基坑的开挖和支护动态施工过程 ,为工程设计和现场施工提供了理论参考和指导。     

边坡分级开挖过程的动态模拟

利用有限元分析原理和ANSYS软件单元生死功能相结合的方法模拟某水电站后边坡的开挖过程,得到了开挖过程中边坡不同部位的变形、应变、应力分布及其变化情况。解决了边坡开挖动态模拟的难题,为以后的边坡开挖提供了很好的依据。     

武汉地铁名都站深基坑围护结构水平变形分析与仿真模拟研究

以武汉地铁二号线名都站深基坑工程为研究对象,对现场监测数据进行了详细分析。采用有限元数值分析方法,借助于著名的岩土工程软件MIDAS/GTS建立了三维工程地质仿真计算模型。根据基坑现场实际开挖情况,采用弹塑性摩尔—库仑本构方程和实际应力与位移边界条件,计算得出了不同施工工序条件下基坑围护结构同一断面对应的基坑围护桩的位移云图和变形曲线,从而对深基坑分步开挖过程中支护结构的水平变形规律进行了研究,并将计算结果与监测结果进行了对比分析。结果表明:计算结果和监测数据基本吻合,说明模型和参数的选取及施工阶段的划分是合理的,且计算结果能较好地模拟深基坑开挖过程中围护结构的变形特性。研究成果对模拟超前开挖基坑并预测其变形特性具有积极的科学性,对下一步施工防护方案的及时修正具有重要的指导意义。     

连拱隧道施工方法对边坡稳定性的影响分析

结合某工程,建立了三维弹塑性有限元模型,就隧道的开挖施工过程进行了数值模拟,用强度折减法原理计算得到在左洞先挖和右洞先挖两种施工方法下边坡的安全系数,并探讨了不同开挖顺序对隧道和边坡稳定性的影响.得出了坡体的安全系数随施工的进行逐渐减小、最后趋于稳定的结论,以及对于偏压连拱隧道,先开挖靠边坡外侧的隧洞对边坡的稳定和隧道的安全更加有利.文章最后分析了边坡的破坏失稳机理,提出需加强观测以及采取一定加固措施的建议.其结论对隧道的施工方法具有指导意义.     

基坑性状的三维数值分析研究

本文从工程实践需要和目前基坑工程的研究现状出发,研制了能考虑基坑开挖的空间效应、土与围护结构的相互作用及施工过程的基坑工程三维有限元分析程序,研究了基坑开挖过程中围护结构变形、主动土压力、支撑轴力、基坑周围地表沉降量及底部隆起的空间分布,探讨了基坑周围地表沉降量分布形式。最后与杭州市某基坑工程实例进行了对比分析,验证了基坑工程进行三维分析的必要性以及计算模式的合理性。     

润扬大桥北锚基础有限元分析与安全监控系统研究

为对润扬大桥北锚碇地基基础进行运营期安全监控,针对其运营期存在的安全问题,建立了三维非线性有限元计算模型,利用该模型对北锚碇在荷载作用下的响应进行了分析。在分析结果的基础上确定了北锚碇变形监控的重点区域作为安排测点的依据,建立了安全监控模型作为北锚地基基础出现异常的报警判据,此外还确定了反演分析的重点力学参数等便于对异常情况出现的成因进行分析。研究表明,在监控模型中采用二次以下多项式函数拟合索力与响应的关系进行预测是可行的。     

浅埋暗挖隧道穿越楼房基础的三维数值模拟

针对武隆隧道出口处穿越楼房基础的工程实例,通过合理的简化和假设建立三维仿真模型。采用大型有限元程序,通过荷载增量步和单元生死技术,分两种模拟工况对浅埋暗挖隧道的动态开挖全过程进行数值模拟分析,研究了加强支护的刚度控制施工方法对地表和拱顶沉降的影响,为类似的工程实践提供指导。     

有关基坑开挖中地基弹簧系数的变化

本文根据软土的室内应力路径与软土的卸荷模量的关系试验研究,推导了适用于增量有限元模型地基弹簧系数的公式,对基坑分步开挖及支护结构设计计算、软土隧道施工等岩土工程问题有较大的实用价值。