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。     

大坝/地基系统应力-应变分析的不连续有限元法

根据虚功原理,提出大坝/地基系统应力-应变分析的不连续有限元法。该方法将大坝和地基分成2个子域,它们之间的网格相互独立,通过建基面变形与两侧大坝、地基单元位移的几何相容方程、建基面的本构方程和系统整体的平衡方程来实现不连续网格的耦合。运用该方法分析一个复杂地基上的重力坝算例,并与常规有限元法的计算结果进行对比,验证所提分析方法的正确性。由于大坝和地基的网格相互独立,因而网格剖分工作相对简单且可以并行完成,特别适合于复杂地质条件下的大坝变形和稳定分析。     

裂缝分析的叠单元法研究

 裂缝是影响结构正常工作性态的重要因素。提出裂缝分析的叠单元法,首先,对于含裂缝的结构,将其离散成不含裂缝的整体网格和裂缝附近区域的局部网格,整体网格和局部网格相互独立。然后,将整体网格和局部网格叠加,在局部网格覆盖范围内,直接采用有限单元法;在局部网格覆盖范围以外,则以整体网格为准,在完整单元上直接采用有限单元法,在残缺单元上采用数值流形技术。最后,在局部网格边界面上施加罚刚度,以实现其与整体网格的耦合。算例分析结果表明,该方法前处理较简单,计算精度较高,适合于裂缝动态扩展过程模拟。     

不连续岩体温度场的复合单元模型初步研究

 基于复合单元法原理和不稳定温度场的隐式解法,提出针对不连续岩体温度场的复合单元法。该算法的特点是每个复合单元可以含有任意的不连续面,如断层或节理,且当结构中含有需在计算中离散处理的不连续面时,网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。初步研究针对含1条节理的复合单元模型展开,假定岩块中无对流和辐射影响,推导岩块子单元和不连续面的热传导计算式,得到不连续岩体温度场的复合单元算法基本方程组,然后将该算法整合到传统有限元分析程序中。分别采用传统有限单元和复合单元法模拟热水流过单条裂隙时岩体温度场的变化过程,二者的计算结果非常接近,表明不连续岩体温度场的复合单元算法是合理和有效的,但其配套的温度场等值线后处理程序有待进一步完善。该算法的提出为深部岩体的多场耦合研究提供又一思路。     

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。     

基于网格划分的全空间块体识别方法及其工程应用

为了解决复杂几何边界条件下有限结构面的全空间块体识别问题,提出有向面单元的几何建模概念,并将网格划分思想引入块体理论中。首先利用空间正交网格将岩体离散为若干个小单元块体,然后依次添加结构面,对单元进行接触性判断及切割,最后去除网格合并单元,形成独立的空间块体。针对块体的切割,给出了平面对任意形态块体的切割方法。针对单元块体的合并,提出了以有向边合并为基础的块体合并方法,将同向面、异向面合并方法统一。研究表明该方法具有可动态添加有限结构面、建立复杂几何模型、识别块体的形态数量不受限制、编程简单等优点。结合辽宁某隧道工程实例,利用本研究成果识别出全空间内所有独立块体,并进一步提供围岩周围关键块体的基本信息,证明了其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性,为确保岩体工程的安全生产提供技术支持。     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

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。     

裂纹扩展分析的无网格流形方法

运用无网格流形方法求解裂纹扩展问题。该方法利用单位分解法和有限覆盖技术建立形函数。形函数的建立不受域内不连续面的影响,可较好地求解裂纹问题。尤其当这种不连续面变得复杂时,更能显示该方法的优点。对于应变局部化问题,该方法的形函数构造较其他方法更为有效,避免了其他方法在建立试函数时不能考虑不连续尖端的缺点。与传统的数值流形方法相比,无网格流形方法的有限覆盖形状更加灵活。它可以用一系列节点的影响域来建立有限覆盖和单位分解函数,具有无网格方法的特性,从而摆脱了传统数值流形方法中网格所带来的困难。与目前的无网格方法相比,由于采用了有限覆盖技术,试函数的构造不受域内不连续面的影响,克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难。在求解裂纹扩展问题时,弹性力学基本方程的弱形式采用加权残数法获得。最后利用无网格流形方法追踪岩体试件在复杂应力状态下裂纹扩展过程。在此给出了数值算例,并将计算结果与实验结果进行对比,说明该方法的正确性和可行性。     

隧道层状围岩体变形分析新方法研究

传统离散单元计算方法(包括UDEC和DDA法)适合于求解岩土工程中有较多地质界面的问题,分析层状围岩体或大块体时仍需要离散化为若干小块体,为此增加许多不必要的人工界面,而有限元法等连续性方法并不适合表达有较多非连续面的问题.为此以DDA法为基础,建立无网格法高阶插值的DDA块体模型,原理上即利用无网格插值或近似方法如移动最小二乘法等,以获得离散大块体的复杂位移变形场,遵循原DDA法建立块体系统刚度矩阵、进行动力迭代分析的基本原理,实现无网格法与DDA法内部耦合分析.新方法模型针对层状围岩体,在建模分析上方便直接,数值算例表明对隧道层状围岩体分析结果是合理有效的.     

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。     

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。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

块体单元法动力分析研究

将块体单元法引入结构动力分析,同时给出动力分析的块体单元法中质量矩阵和阻尼矩阵的具体表达式,建立块体系统在惯性力、阻尼力、动力荷载及弹性力作用下的动力平衡方程。最后分析2个算例,通过将块体单元法与其他方法计算结果进行对比,验证块体单元法动力分析的准确性和合理性。块体单元法对于岩体中含大量不连续面的复杂结构在前处理工作上有较大的优越性,因此可广泛应用于水工及岩土工程结构动力及地震作用下的变形与稳定性分析。     

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。     

基于降强法数值计算的复杂岩质边坡动力稳定性安全评价分析

分析复杂岩质边坡在地震荷载作用下的动力稳定性的特点,提出基于降低材料强度算法的动力稳定性分析方法。先将软弱结构面抗剪强度指标降低,进行静力计算,在此基础上,再进行动力稳定分析,综合评估边坡的动力稳定性与降强倍数的关系,将边坡处于临界稳定状态下的降强倍数定义为动力稳定安全系数。借助数值计算程序,将上述方法应用于国内某拱坝坝轴线左岸岩质边坡的动力稳定性分析,取得满意的成果。     

岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法

提出了岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法。首先，定义各块体单元的最小包围盒为其覆盖单元，在覆盖单元上采用阶谱形函数和弹粘塑性本构模型；然后，根据虚功原理，推导了块体系统的整体平衡方程；最后，就其中的数值积分和边界条件处理等问题进行了探讨。运用所提方法分析了两个简单算例，结果与解析解和有限单元法数值解很吻合，从而验证了其正确性和有效性。所提方法具有前处理简单、计算精度高等特点，适合于岩体变形与稳定分析。     

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。     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。