岩土参数随机场离散的三角形单元局部平均法

将不确定性岩土参数建模为随机场而非传统意义上的随机变量,基于随机场的局部平均理论,提出了用于二维随机场离散的三角形单元局部平均法。通过面积坐标变换和高斯数值积分,给出了三角形单元局部平均随机场协方差矩阵的解析计算方法和数值计算方法。采用算例再现了所提方法的分析过程和有效性,并与传统二维随机场四边形单元离散法进行了对比。结果表明:提出的二维随机场三角形单元离散法能与有限元三角形单元离散法完美结合,随机场单元与有限元单元的对应关系清晰,易于随机有限元程序的编制;对于随机场单元的均值,传统四边形单元离散法与所提方法的计算结果相同;对于随机场单元的方差,传统四边形单元离散法计算结果偏小,所提方法显得更加科学、合理。     

岩溶坝区透水参数的随机模型

岩溶坝区的渗透特性受高应力场的作用,使其固有的非均质各向异性更趋复杂,采用确定性的方法不能准确的描述其本质特性。本文在对岩溶坝区透水性随机场进行分析的基础上,提出了渗透随机性的数学描述。考察岩溶坝区主要的两场作用,即渗流与应力场的耦合。基于Taylor随机有限元建立了渗流应力耦合的随机微分方程格式,并对耦合随机模型反演求解渗透参数提出了思路。     

堤防工程三维随机渗流场理论及研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤士性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受;通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性;在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后,它们作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性。实现了对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。     

浅基础沉降可靠性的Neumann随机有限元分析

将随机土性分布参数模拟为随机场，用矩形和任意四边形局部平均随机场单元来离散随机场，对随机场离散技术和自协方差矩阵的组集方法进行了研究，提出了多维相关正态分布随机数的计算机模拟方法，同摄动随机有限元和直接Monte-Carlo随机有限元相比，Neumann随机有限元具有较好的计算精度和计算效率，研制了Neumann随机有限元的程度，考虑荷载变异性和土性分布参数的变异性，用Neumann随机有限元法进行地基沉降和非均沉降的概率分析。     

基于蒙特卡罗随机有限元法的三维随机渗流场研究

通过建立改进Latin超立方抽样和对偶抽样相结合的复合抽样法,以提高Monte Carlo方法的计算效率,并将其引入Monte Carlo随机有限元（MSFEM）。基于三维有限元模型,采用MCSFEM对山坪土石坝进行随机渗流场分析,研究渗透系数和水头边界条件的随机特性对渗流场的干扰,进行变异系数和抽样次数的敏感性分析。最后,对渗流场的求解量进行概型分析。研究表明：总水头势、流速及渗透体积力的变异性随着渗透系数随机性的增强而变大;复合抽样法既能有效加快Monte Carlo的收敛速度,又能降低样本间的统计相关性,说明了该方法的实用性与有效性;当渗透系数服从正态分布时,渗流场中所取结点的水头和坡降也服从正态分布。     

地下工程复杂渗流场数值模拟研究与应用

结合地下工程复杂渗流场三维有限元分析的实际 ,用渗透张量模拟非均匀各向异性 ,用改进丢单元法迭代自由水面 ,用隐性的复合材料单元模拟断层 ,用隔水层模型模拟防渗帷幕 ,用以沟代井模拟排水井列。在此理论基础上编制了渗流分析的三维有限元计算程序。且用此程序成功求解了漫湾水电站二期工程地下厂房围岩的复杂渗流场 ,并在此基础上分析渗流场分布的主要影响因素的影响。结果验证了程序的合理性和实用性     

各向异性含水层渗流场数值计算及实例分析

含水层渗透性的各向异性可以使用渗透系数张量来表征;在进行各向异性含水层的渗流场数值模拟时,渗透张量主值的大小和主方向都会对渗流场产生显著的影响。如何合理的建立能够的反映含水层的各向异性的数值模型非常关键。本文通过分析MODFLOW2005的数学模型、离散方法和差分公式,探讨了MODFLOW2005中含水层渗透系数张量主值大小及方向参数的赋值方法、条件和可行性。认为在MODFLOW2005中使用数值模型网格旋转方法可以实现一定条件下的渗透张量计算。并使用实例验证了理论分析的结果,对比了渗透张量主值的方向对渗流场的影响。     

基于饱和渗透系数空间变异结构的斜坡渗流及失稳特征

以往研究一般采用单随机变量方法（SRV）或基于水平或垂直方向波动范围生成的空间变异随机场来模拟岩土参数的空间变异性,对具有倾斜定向特征的空间变异随机场未有涉及.基于条件模拟相关理论和非侵入式随机有限元的理论框架,提出了利用序贯高斯模拟方法进行斜坡参数条件随机场模拟并运用有限元方法进行斜坡渗流和稳定性分析的方法.针对理想边坡,对各向同性和几何各向异性的共7种空间变异结构的饱和渗透系数（K_s）各进行了200次条件随机场模拟,基于条件随机场模拟结果进行了有限元渗流和稳定性计算,对每种空间变异结构多次计算结果进行了统计分析.结果表明:本文所提出的方法不仅再现了研究区域参数的空间二阶统计特性,通过设定变异函数参数进行不同空间变异类型、变异程度、变异定向性的随机场模拟,同时利用现场观测数据对随机场模拟结果进行条件限制,从而提高了随机场的赋值精度;K_s的空间变异结构对孔隙水压力的分布规律、地下水位线变化范围、稳定性系数和最危险滑动面分布特征均有一定程度的影响.本研究为库岸斜坡稳定性评价提供方法支撑.      

浅基础沉降可靠性的摄动随机有限元法

将二阶非线性摄动随机有限元理论和土性参数随机场的离散技术相结合,可以处理岩土工程中由多种不确定因素带来的结果的不确定性。与一阶摄动随机有限元相比,二阶摄动随机有限元具有较高的计算精度。笔者探讨了这一方法,考虑土性分布参数和荷载变异性,用二阶摄动随机有限元法进行了浅地基沉降的概率分析。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

溶蚀岩体的溶渗作用及岩溶坝区的渗透性研究

溶蚀岩体的溶蚀作用漫长而不均,处于岩溶坝区其溶渗作用会显著加剧,机理更为复杂。坝区的渗透特性受高应力场的作用,其固有的非均质各向异性更趋复杂,采用确定性的方法不能准确的描述其本质特性。在分析溶蚀岩体溶渗作用的基础上,对K.G.Magomedov预测模型进行了讨论,提出了岩溶管道渗透特性的处理方法。对岩溶坝区透水性随机场进行分析,考察岩溶坝区主要的两场作用,即渗流与应力场的耦合,基于Taylor随机有限元建立了渗流应力耦合的随机微分方程格式,并对耦合随机模型反演求解渗透参数提出了思路。     

Bayes约束随机场下坝基溶蚀区随机模拟方法及其影响分析

基于完全随机场模拟溶蚀岩体可能会高估其空间变异性和不能有效地利用溶蚀以外的地质信息和实践经验,提出用Bayes约束参数随机场模型描述坝基溶蚀区的随机模拟方法。引入Bayes公式,对溶蚀区域岩土参数的统计特性进行修正,反映出地质勘测的新增地质信息和试验参数信息,建立约束随机场,并在此基础上进行随机有限元分析,研究坝基溶蚀对大坝结构性态的作用效应。计算结果表明,相对于完全随机场模型,Bayes约束随机场模型更为客观地考虑了溶蚀岩体的空间变异性,有效地降低了溶蚀参数完全随机场下结构响应的模拟方差。在概率分析过程中,推荐蒙特卡洛响应面耦合方法（MC-RSM）作为适用于复杂工程的随机模拟方法,该方法能够代替直接MC法对同样力学机制的不断重复,减小计算时间成本。     

基于随机有限元的堤防渗透失稳概率分析

基于随机有限元理论进行了堤防渗透失稳概率分析,探讨了渗透系数变异性、洪水位变化、堤防几何尺寸变化对渗透失稳概率的影响。结果表明,随着渗透变异系数的增加,渗透失稳概率基本呈线性增长,当变异系数增大到一定程度时渗透失稳概率保持不变,随后略有下降;随着汛期水位的升高,堤防渗透失稳的概率不断变大;渗透失稳概率随着堤防坡度变陡而不断地增加,尤其是在堤防坡比大于1：2.5时,其渗透失稳概率增加得非常快。     

大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式。在地下水封石油洞库的建设中,由于工程体的出现,改变了区域地下水的补给、径流和排泄条件,干扰了原来平衡的地下水渗流场,为保证地下石油洞库的水封效果,需进行裂隙岩体渗透特性及地下水渗流场时空演化研究。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为工程背景,结合现场试验数据分析,运用等效连续介质的方法,采用裂隙岩体各向异性渗透张量,建立三维地下水数值模拟模型,预测不同施工进程时地下水位的变化。分析预测结果表明：在地下洞室开挖过程中,无水幕条件下地下水位逐渐降低,主洞室部分区域出现零水头压力区,无法保证水封性;模拟运营期水幕巷道施加定水压力,地下水位上升至设计高度35 m且趋于稳定,可以满足水封效果要求。研究结果对地下石油洞库的水封性评价具有一定的工程意义和理论价值。     

Stochastic representation for anisotropic permeability tensor random fields

In this paper, we introduce a novel stochastic model for the permeability tensor associated with stationary random porous media. In the light of recent works on mesoscale modeling of permeability, we first discuss the physical interpretation of the permeability tensor randomness. Subsequently, we propose a nonparametric prior probabilistic model for non‐Gaussian permeability tensor random fields, making use of the information theory and a maximum entropy procedure, and provide a physical interpretation of the model parameters. Finally, we demonstrate the capability of the considered class of random fields to generate higher levels of statistical fluctuations for selected stochastic principal permeabilities. This unique flexibility offered by the parameterization of the model opens up many new possibilities for both forward simulations (e.g. for uncertainty propagation in predictive simulations) and stochastic inverse problem solving. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical estimation of REV and permeability tensor for fractured rock masses by composite element method

The Monte Carlo method is used to generate parent stochastic discrete fracture network, from which a series of fractured rock samples of different sizes and orientations are extracted. The fracture network combined with a regular grid forms composite element mesh of the fractured rock sample, in which each composite element is composed of sub‐elements incised by fracture segments. The composite element method (CEM) for the seepage is implemented to obtain the nodal hydraulic potential as well as the seepage flow rates through the fractured rock samples. The application of CEM enables a large quantity of stochastic tests for the fractured rock samples because the pre‐process is facilitated greatly. By changing the sizes and orientations of the samples, the analysis of the seepage characteristics is realized to evaluate the variation of the permeability components, the existence of the permeability tensor and the representative element volume. The feasibility and effectiveness are illustrated in a numerical example. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Influence of spatial variability of permeability property on steady state seepage flow and slope stability analysis

In recent years, spatial variability modeling of soil parameters using random field theory has gained distinct importance in geotechnical analysis. In the present study, commercially available finite difference numerical code FLAC 5.0 is used for modeling the permeability parameter as spatially correlated log-normally distributed random variable and its influence on the steady state seepage flow and on the slope stability analysis are studied. Considering the case of a 5.0 m high cohesive–frictional soil slope of 30°, a range of coefficients of variation (CoV%) from 60 to 90% in the permeability values, and taking different values of correlation distance in the range of 0.5–15 m, parametric studies, using Monte Carlo simulations, are performed to study the following three aspects, i.e., (i) effect of stochastic soil permeability on the statistics of seepage flow in comparison to the analytic (Dupuit′s) solution available for the uniformly constant permeability property; (ii) strain and deformation pattern, and (iii) stability of the given slope assessed in terms of factor of safety (FS). The results obtained in this study are useful to understand the role of permeability variations in slope stability analysis under different slope conditions and material properties.     

基于随机有限元法的溶蚀坝基系统建坝适应性评价

依托溶蚀地基上建坝的典型工程问题,在研究坝基溶蚀空间展布特征的基础上,建立溶蚀带力学参数随机场模型,采用随机有限元方法研究坝体工作性态的统计特性,评价了溶蚀坝基建坝适应性。采用溶蚀带力学参数随机场模型,等效模拟了空间内溶蚀体的无序分布系统,排除地质统计中线溶蚀率的人为假定,避免了以往确定性分析模型中溶蚀体缺失现象。研究方法和成果亦可以为其他相似复杂地基工程的数值分析提供新的思路和参考。