模拟岩石材料破坏的有限元方法

介绍一种能够模拟岩石材料破坏过程的有限元方法,该方法引入单元分裂和界面分离技术描述破坏引起的材料几何拓扑结构变化,采用接触单元表征破坏界面,借助动态松弛方法完成求解。该有限元方法主要针对岩石材料的张拉和剪切两种破坏形式,通过计算实例验证该方法的适用性。     

岩体流-固耦合的Taylor展开随机有限元模拟

采用等效连续介质模型,引入介质渗透系数张量与介质体积应变之间的函数关系式,建立能反映介质中孔隙压力与骨架变形非线性耦合作用的数学模型。视模型中的参数为随机变量,采用Taylor展开随机有限元法对该模型进行数值模拟,研究参数具有随机性情况下耦合场中孔隙压力、有效应力、位移等场变量的随机分布特征及孔隙压力、位移等场变量对参数的灵敏度。数值算例可检验所提出方法的有效性。     

节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法

节理岩体的渗透破坏、节理岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关,而节理岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的应用。应用无网格法来求解节理岩体的渗流问题,建立节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法。通过变分原理详细推导无网格与有限元耦合方法求解节理岩体渗流的离散方程及相关计算公式,并利用耦合方法对边界条件进行处理。最后,给出的数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

地下工程锚固岩体有限元分析的并行计算

为了解决当前大型岩土工程单机计算困难、计算时间长、精度低的问题,在弹塑性有限元串行算法的基础上,提出了考虑岩体锚固问题的弹塑性并行算法,用VC 6.0开发了基于Windows操作系统的并行有限元计算程序,实现了数据的分布式存储和计算,并在计算机集群(COW)上成功地对水布垭尾水洞洞室支护进行了并行有限元计算分析。与单机串行算法相比,较大程度地减少了计算时间,提高了计算效率。     

模拟岩体失效全过程的连续–非连续变形体离散元方法及应用

 岩石、混凝土等材料,由于存在细观构造的非均匀性,其损伤–破碎发展过程及破损特征与材料中含有的微裂隙分布相关。基于有限–离散耦合分析的思路,在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型,在细观单元之间插入界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现岩体开裂扩展的数值模拟。以岩石单轴压缩、单个颗粒破碎以及边坡失稳3个算例对该方法进行验证,结果表明：所提出的方法能较好地模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展,反映岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程。     

高温岩体地热资源模拟与预测方法

研究了基于三维稳态热传导理论并忽略对流换热及地质构造等次要因素影响的地温场与地温梯度场的反演方法。该方法可以在大尺度上数值模拟岩体中地温的空间分布状况,并预测高温岩体地热资源量。以云南省腾冲热海热田为例,模拟和分析了地质体的地温与地温分布梯度场的特点及其形成原因,并对热田高温岩体地热资源量进行了预测评价。提出的高温岩体地热资源模拟与预测方法具有重要的理论价值,研究结果可为热海热田地热资源的开发和利用提供参考。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

与应变状态相关的岩体双重孔隙介质流-固耦合的有限元计算

基于孔隙—裂隙岩体的双重孔隙介质流—固耦合计算的微分方程，利用伽辽金有限元法提出了相应的有限元公式，并基于岩体分类指标(RQD，RMR）两提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例，将计算结果与相关文献作了比较．     

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。     

材料非线性问题的广义逆力法有限元格式表达

广义逆(generalized inverse matrix，GIM)力法是一种从经典力法的求解思路中引发而出的基于力法和广义逆矩阵理论的一种新的迭代解法，对于求解材料非线性问题具有其独特的特点和优势。由于该法在解决材料非线性问题时无需像传统的基于位移法的逐步增量法那样逐步求解，故又称特大增量步算法(large increment method，LtM)。算法的整个求解过程可以分为整体阶段和局部阶段。材料非线性问题的广义逆力法具有完整的用有限元格式表达的通用求解过程和公式，尤其是算法局部阶段的一致弹塑性柔度和刚度矩阵的表达式。算例为平面应力问题算例。此外，广义逆力法在结构并行计算方面具有不同于传统的子结构并行计算的新特点。该算法的意义主要集中在两点：一是结构计算不再只是采用位移元和杂交元，而是采用了更适应计算机计算的力法方法；二是结构并行计算不再是传统的子结构并行计算，而是新形式的并行计算。     

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。     

岩体离散裂隙网络稳定性计算的节理有限元法

通过对广乐高速公路坪石至樟市段大量裂隙岩体边坡的稳定性研究认为：客观的地质模型、恰当的本构关系、正确的计算参数、有效的计算方法是裂隙岩体模拟计算的4个关键问题,抓住并解决好这4个方面的问题,是裂隙岩体数值分析取得可靠成果的关键。提出裂隙岩体稳定性模拟计算的节理有限元法(JFEM),视裂隙岩体为由岩块和离散裂隙网络组成的二元结构,同时考虑岩块和离散裂隙的属性,充分体现岩块和岩块接触作用的非线性关系。首先,基于Jaeger单结构面理论,应用JFEM计算裂隙岩体的抗压强度,以验证JFEM的可靠性;其次,引入离散裂隙网络模型(DFN),重点探讨基于Voronoi模型、Baecher模型和Veneziano模型的裂隙岩体稳定性计算问题,岩块和节理的本构关系分别采用广义的Hoek-Brown准则和Barton-Bandis剪切强度准则,应用强度折减法计算裂隙岩体的稳定系数,并对裂隙岩体网络模型中关键参数取值对岩体的稳定性影响进行探讨。研究结果可为裂隙岩体的稳定性评价提供一个新的思路,为工程决策提供理论依据。     

基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。     

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。     

有限元并行EBE方法及应用

结构开裂和破坏过程的三维有限元分析,对大规模数值计算提出了很高的要求。基于Jacobi预处理共轭梯度法,推导了适用于分布存储并行机的有限元并行方法。在数据交换方面,采用一种按需收集、按需散发的数据交换技术,使得该方法适合于分布内存的并行机,可极大降低数据交换量,提高并行计算效率。同时,可避免形成整体刚度矩阵,显著减少内存需求,并可自动实现计算任务的分配。编制了有限元并行计算程序,采用悬臂梁算例对其进行了验证,并和普通有限元方法进行了对比,然后应用于拱坝的有限元数值分析和基于网格加密技术的四点弯曲梁开裂过程的数值模拟中。指出该方法和区域分解方法的并行实现在本质上是相同的,但EBE方法更具有工程实用意义。计算结果表明,对复杂的三维结构,该方法是一种很有效的并行计算方法。     

位移反分析的有限元线法及其工程应用

有限元线法作为一种半解析的数值方法，具有网格剖分简单，计算精度高等优点。将有限元线法应用于岩土工程位移反分析，提出基于有限元线法的位移反分析方法。工程实例显示了该方法的可行性。