基于独立覆盖流形方法与矢量和方法的边坡稳定性分析

 提出一种基于独立覆盖流形方法(independent cover manifold method,ICMM)和矢量和方法的边坡稳定性分析方法。该方法采用ICMM计算边坡岩土体的应力场,避免了有限元及传统流形方法复杂的前处理过程,可以方便地计算含节理断层等不连续面的复杂边坡的应力状态。在此基础上,采用矢量和方法计算潜在滑裂面的安全系数,矢量和方法基于边坡的真实应力状态和力的矢量特征,物理意义明确,而且不需要类似强度折减法的迭代计算,计算代价小。同时采用模拟退火遗传算法进行优化搜索,得到边坡的临界滑裂面。提出方法结合以上优点,可以高效精确地计算含有节理断层的复杂边坡的临界滑裂面和安全系数。4个代表性算例以及工程案例的分析应用验证了提出方法的有效性和精确性。     

饱和–非饱和渗流的数值流形法研究与应用

非饱和渗流问题涉及岩土、水利和环境等众多领域,合理有效地模拟非饱和渗流过程具有重要意义。基于数值流形方法(numerical manifold method,NMM)的覆盖思想,建立了非饱和渗流Richards方程的NMM离散格式,相比于有限元方法(finite element method,FEM),NMM的前处理更为灵活,对复杂边界具有更强的适应性。欠松弛技术和集中质量矩阵的引入,有效抑制了求解过程中的数值震荡现象。通过对一维和二维非饱和渗流算例的模拟,验证了算法的有效性与可靠性。     

基于响应面与重要性抽样的岩土工程可靠度分析方法研究

 由于功能函数非线性强且难以显式表达,岩土工程可靠度分析以往多采用响应面方法解决,但其求解的可靠度指标为几何可靠度。阐明几何可靠度与一般可靠度的实质和两者之间的差异,指出对于功能函数非线性较强的岩土工程问题,采用几何可靠度指标存在较大误差,需进行改进。然后引入V空间重要抽样方法将基本变量随机空间通过Rosenblatt变换和线性正交变换转换至V空间,在响应面方法得到岩土工程的设计验算点及其附近的响应面的基础上,采用重要性抽样方法求解岩土工程可靠度。几个数值算例和工程实例的对比分析表明该方法可行、有效、精度较高,适用于非线性强的岩土工程可靠度求解。     

SPH方法在岩土工程中的研究应用进展

光滑质点流体动力学(简称SPH)是一种纯Lagrangian、无网格的流体动力学计算方法,已经广泛应用于与工程相关的许多学科的计算分析研究中。鉴于岩土工程中的SPH方法的研究应用是一个比较新的研究方向,首先简述了SPH方法在岩土工程应用的基础,重点讲述了目前SPH方法在岩土工程相关学科中的应用,最后针对地震液化问题,提出未来可以将SPH方法运用到地震液化前后变形特征的统一分析中,以及借鉴爆炸和冲击科学中SPH-FEM耦合方法进行地震液化中结构物破坏机理的研究。     

基于三维地质模型的岩土工程有限元自动建模方法

在岩土工程有限元数值模拟中,复杂的地质环境使得建模困难,模型一般都被简化处理。其结果直接影响计算的准确性。借助地质模型能最大程度地表达地质实际的特点,将地质模型和数值模型相结合,提出一种新的岩土工程有限元建模方法--CRM地质模型转化法。其核心思想是将三维地质模型经过特定方式转化为符合有限元网格要求的数值计算模型。具体转化过程为:①根据计算范围对地质模型进行区域切割;②从切割模型提取控制数据进行网格重构;③对重构模型按地层属性自动剖分有限元网格;④将网格数据导入数值分析系统完成建模。通过编程实现与实例验证,这种方法能准确生成复杂模型网格,整体建模速度快,自动化程度高,且能方便地模拟开挖过程,并可为不同的数值分析系统使用,极大地提高了前处理工作的效率。     

岩土破裂过程分析RFPA离心加载法

将离心加载算法引入到岩石破裂过程分析RFPA系统中,形成了RFPA离心加载法(RFPA-Centrifuge)。RFPA-Centrifuge的应力分析采用有限元基本算法,满足静力平衡、应变相容及岩土体的非线性应力–应变关系;秉承了RFPA系统的破坏分析功能,并且同样考虑材料细观非均匀的影响,对边坡等难点问题进行分析时,不需对滑动面或破坏区域做任何预先假定。通过对垂直土坡离心物理试验、倾斜的土坡、含两组平行节理岩质边坡和不同截面形状隧道的数值试验,证明该法可以直观、逼真地获得岩土结构的破坏区域或滑移破坏面,同时求得安全储备系数,分析结果与物理的试验和有限元强度折减法均比较一致。RFPA-Centrifuge不仅回避了强度折减法中有关力学参数复杂的折减规则,还克服了强度折减法难以用物理试验进行相互验证的不足,因而是一种极具前景的岩土工程稳定性分析方法。     

基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法

 针对岩土工程数值分析中地质断层建模困难的问题,提出基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法。该方法首先对分析对象进行独立离散,建立不考虑地质断层的模型。再通过单元重构,可将地质断层嵌入已建模型,实现复杂地质断层的自动建模。所谓单元重构,是首先使用八节点六面体单元,建立不考虑断层的分析模型,再借助四节点四面体,五节点四棱锥和六节点三棱柱等单元形态,对地质断层穿过的网格进行处理,重构为由多种单元形态构成的模型。然后结合岩土工程断层建模实例,将该方法应用于复杂地下岔管、重力坝坝肩和坝基以及大型地下洞室群的断层建模,可证明其有效性。进一步以大型地下洞室群为例,将考虑地质断层的洞室群模型导入通用软件,采用实体单元模拟地质断层进行开挖计算,并与不考虑断层的情形对比分析发现,考虑地质断层后,围岩位移和应力分布都呈现出不连续性,被断层切割部位的围岩变形增大,应力出现松弛。这表明含有地质断层的重构模型可以用于数值计算,且能有效反映出地质断层对洞室围岩稳定的影响,从而可证明该建模方法的可靠性,为岩土工程的复杂地质断层建模提供便捷的实现途径。     

岩石块体数值流形分析网格形成方法之研究

根据数值流形方法的基本理论 ,系统地研究了数值流形元覆盖系统形成的方法。基于平面三角形有限元网格 ,探讨了岩石块体系统数值流形方法分析之数学覆盖和物理覆盖及其流形元分析网格的形成技术 ,研究了覆盖系统两套覆盖编号的自动形成方法。据此研制成计算机分析软件并应用于计算实例 ,取得良好效果。该文所取得的研究成果为数值流形方法应用于大型岩土工程分析与计算奠定了坚实的基础 ,具有广泛的工程应用前景     

基于顺序组件法的系统可靠度敏感性分析方法

岩土工程一般是由多个失效模式组成的复杂系统,且参数的不确定性对岩土工程的失效模式及可靠指标具有重要影响.为了分析参数不确定性对系统可靠度的影响,提出基于顺序组件法的系统可靠度敏感性分析方法(SCMSA).SCMSA利用SCM组合元件的原理,在计算两元件并联和串联的简单系统可靠度及敏感性的基础上,进一步计算两元件组成的组...     

响应面法及神经网络模型在岩土工程监测数据处理中的应用

非线性回归、时间序列机会色系统分析能较好地处理一般的岩土工程监测数据序列 ,但对监测数据变化较复杂的序列处理效果较差。响应面法处理技术和神经网络模型则能较好地处理这类复杂数据序列 ,为岩土工程监测信息的客观处理提供了新的研究方法。     

基于ALE方法的贯入桩周土大变形问题的研究

桩的工作性状是岩土工程中最不确定的问题之一,其中主要原因是对桩在打入加载过程中所造成的桩周土物理状态和应力状态的改变还不是很清楚,对其进行数值模拟时,需要考虑大变形、边界条件改变及桩、土接触问题,一般有限元法在网格剖分上不能解决大变形问题,在边界条件及桩、土界面处理方面不能很好的模拟实际情况。计算实例表明,基于ABAQUS的ALE(任意拉格朗日-欧拉法)方法有效的模拟了贯入时土体的应力变化情况,并得到以下结论: ALE方法能有效避免拉格朗日法有限元分析中网格畸变以及高度扭曲问题,与实际相符合,真实的反映了岩土工程中的弹塑性的变形情况,可以应用到岩土工程中的大变形问题中。以ALE方法为基础对CPT(静力触探试验)贯入试验进行有限元模拟对合理解释CPT的试验的结果是非常有效的。     

Strength reduction and step-loading finite element approaches in geotechnical engineering

The finite element limit analysis method has the advantages of both numerical and traditional limit equilibrium techniques and it is particularly useful to geotechnical engineering.This method has been developed in China,following well-accepted international procedures,to enhance understanding of stability issues in a number of geotechnical settings.Great advancements have been made in basic theory,the improvement of computational precision,and the broadening of practical applications.This paper presents the results of research on（1） the efficient design of embedded anti-slide piles,（2） the stability analysis of reservoir slopes with strength reduction theory,and（3） the determination of the ultimate bearing capacity of foundations using step-loading FEM（overloading）.These three applications are evidence of the design improvements and benefits made possible in geotechnical engineering by finite element modeling.     

用等阶径向点插值法计算高速公路断面沉降

无单元法只需要结点信息，而不需要单元信息，比较适合岩土工程数值分析。介绍了等阶多项式基的径向点插值法(ERPIM)的基本理论，给出了该法求解Biot固结方程的基本格式，并把它应用到软基高速公路断面的沉降计算中，同时与有限元法解进行了分析、对比。结果表明该法不但计算精度高，而且在求解路堤分级施工的这类移动边界问题的沉降时，比有限元法更方便。最后指出了需进一步研究的问题。     

虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设

联系岩土工程实践,以及岩体的不可透视性、赋存环境复杂性等特征,提出了虚拟现实与数值模拟技术相结合的教学平台,并结合深部井巷工程介绍了该平台在教学实践中的应用。实践表明,基于该平台的教学方法改造提升了传统的教学模式,学生在安全轻松的虚拟环境中学习、感知实际工程,激发学生的学习兴趣,培养学生实际动手能力和创新思维能力,提高了学生对真实环境中实际工程问题的处理能力。     

Application of the orthogonal design method in geotechnical parameter back analysis for underground structures

The back analysis method has been widely used as an indirect method of determining geotechnical parameters based on field measurements. The number of parameters and their initial values greatly influence the reliability and efficiency of back analysis. Therefore, sensitivity analysis is often employed to select high sensitivity parameters that have more greater impact on measured back analysis values. The orthogonal design method was first utilized to select geotechnical parameters for back analysis. The optimized parameter values obtained from an orthogonal design table can be used as the initial back analysis values, so as to avoid optimisation algorithm searching in local parameter spaces. By introducing a penalty function to the objective function, back analysis of the geotechnical parameters is changed into an unconstrained optimisation problem, whereby the Nelder–Mead method can then be employed. To verify the feasibility of the proposed back analysis method, a case study was conducted to determine the rock mass parameters for the Houziyan underground powerhouse complex.     

基坑支护结构三维模型快速生成方法在FLAC3D中的实现

在基坑工程的三维建模中,其庞大复杂的支护结构体系的建立需耗费大量的时间和精力,成为影响数值分析进度的关键因素。本文采用自创算法,基于FLAC3D编制了基坑支护结构快速生成程序,可根据不同的基坑支护类型,沿基坑边线快速准确生成基坑三维支护体系,大大加快了数值分析进度,提高了效率。     

Groundwater flow through fractured rocks and seepage control in geotechnical engineering: Theories and practices

Groundwater flow through fractured rocks has been recognized as an important issue in many geotechnical engineering practices. Several key aspects of fundamental mechanisms, numerical modeling and engineering applications of flow in fractured rocks are discussed. First, the microscopic mechanisms of fluid flow in fractured rocks, especially under the complex conditions of non-Darcian flow, multiphase flow, rock dissolution, and particle transport, have been revealed through a combined effort of visualized experiments and theoretical analysis. Then, laboratory and field methods of characterizing hydraulic properties (e.g. intrinsic permeability, inertial permeability, and unsaturated flow parameters) of fractured rocks in different flow regimes have been proposed. Subsequently, high-performance numerical simulation approaches for large-scale modeling of groundwater flow in fractured rocks and aquifers have been developed. Numerical procedures for optimization design of seepage control systems in various settings have also been proposed. Mechanisms of coupled hydro-mechanical processes and control of flow-induced deformation have been discussed. Finally, three case studies are presented to illustrate the applications of the improved theoretical understanding, characterization methods, modeling approaches, and seepage and deformation control strategies to geotechnical engineering projects.     

舟山灌门水道隧道最小岩石覆盖厚度研究

总结了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度常用的方法,并分析了各种方法的适用条件.基于大量弹塑性海底隧道稳定性数值分析,提出了最小岩石覆盖厚度的最小位移法判据.根据舟山灌门水道隧道地质勘察报告,选择海底深槽和钻孔位置5个控制性分析断面.分别依据上述各种方法确定了舟山灌门水道隧道拱顶曲线,最后给出了各个分析断面的最小岩石覆盖厚度建议值.     

ZJU400 离心机研制及其振动台性能评价

土工离心机可以产生与原型相同的自重应力,保证模型破坏机制与原型一致,是解决岩土工程、水利工程和环境工程等领域复杂问题的理想试验模拟手段。搭配机载振动台系统,离心机还可以在原型应力条件下探讨地震引起的建构筑物变形和稳定特性。鉴于离心机振动台的科研价值,浙江大学建造了有效旋转半径为 4.5 m 、负载能力 400gt 的双吊篮臂式离心机,可开展 150g 重力加速度下的静态试验和 100g 重力加速度下的动态试验,吊篮尺寸达 1500 mm×1200 mm×1500 mm 。同时,离心机配置了最大振动幅值为 0.6 cm 、最大振动加速度为 40g 的振动台系统,可进行有效负重小于 500 kg 水平单向地震动响应模拟。静动力试验使用的刚性模型箱和层状剪切模型箱的最大尺寸分别为 1.2 m×1.0 m×1.0 m 和 600 mm × 350 mm × 449 mm 。通过饱和砂土地基建筑物震陷试验,初步检验了离心机振动台系统的整体性能。     

Kriging Numerical Models for Geotechnical Reliability Analysis

When the performance function is an implicit numerical model, geotechnical reliability analysis can be challenging due to the coupling between the deterministic numerical evaluation and reliability analysis. Previously, the kriging method was used in geotechnical engineering for modeling the spatial variability of soil properties. In this paper, we illustrate a first-order reliability analysis method based on a kriging approximation of the deterministic numerical model. The key idea in this method is to first calibrate a kriging model to approximate the deterministic numerical model, and then to evaluate the failure probability based on the kriging model. As any stand-alone software for deterministic geotechnical numerical analysis can be potentially used to generate samples for calibrating a kriging model, it can then be ultimately used for a reliability analysis. As such, this method provides a practical way for practitioners to perform reliability analysis based on existing deterministic geotechnical software. The effectiveness of the suggested method is illustrated through a pile foundation example, a shallow foundation example, and a slope example in which the performance functions do not have explicit forms. The kriging method is used here as a tool for interpolating and approximating deterministic numerical models. The present paper does not address any type of spatial variation of soil properties.