p型自适应有限单元法及其在岩土工程中的应用

详细地介绍了p型自适应有限元的基本理论及其发展过程,总结了p型自适应有限元的误差估计方法、自适应升阶策略以及加速收敛技术,并将p型自适应有限元法应用于岩土工程的三维弹粘塑性分析、三维动力响应分析以及三维渗流分析中,最后提出了p型自适应有限单元法中亟待解决的问题及今后的研究方向。     

渗流问题的三维h型自适应有限元法研究

研究了三维渗流的自适应有限元法,建立了集成网格自动剖分、渗流有限元分析、网格调整、后处理等四大模块的四面体单元h型自适应系统。给出的算例证实了系统的有效性和优越性。     

非稳定温度场的三维p型有限元方法研究

非稳定温度场的边界往往是温度梯度较大的区域,需要划分较密的网格。但在三维温度应力的计算中太密的网格往往使得计算成本很高。将p型阶谱有限元方法引入温度场的计算,则可以开拓一条解决这类问题的有效途径。研究了p型有限元中的温度边界条件和初值,编制了有关程序,对同一个算例,采用不同网格密度的常规有限元法和p型有限元法进行了温度场计算分析和对比。研究结果表明,用p型有限元进行非稳定温度场计算,在网格稀疏的条件下能够达到较高的精度。     

土石坝边坡稳定性分析的温控参数折减有限元法

将土石坝渗流的有限元计算和坝坡稳定分析的强度折减有限元法相结合,对土石坝坝坡的稳定性进行分析。考虑渗流作用时,首先采用有限元法计算坝体渗流场,通过迭代计算出稳定渗流的逸出点和浸润线位置,并根据水力梯度计算坝体所受的渗透力;然后将渗流分析所确定的渗流力与土体自重、浮力、地震力等荷载共同施加在坝体上,采用温控参数折减有限元法计算土石坝坝坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。分析结果表明,采用此方法进行土石坝坝坡稳定分析是合理的,且大大提高了计算效率     

台兰河地下水库辐射井抽水过程的非稳定渗流场的有限元分析

针对台兰河地下水库大口径辐射井抽水效果的数值模拟问题,在分析了大口径辐射井渗流行为基础上,提出了应用辐射井子结构法和子结构开关器等辐射井精细模拟技术,并联用改进的截止负压法、迭代增量法和求解大型稀疏矩阵的预处理共轭梯度算法进行有辐射井影响的地下水非稳定渗流场的有限元分析。应用自主研发的三维可视化渗流有限元计算软件GWSS对台兰河地下水库辐射井抽水试验过程中的非稳定渗流场进行了数值模拟研究。研究结果表明：所有观测井计算水位的平均绝对误差为0.22 m,单井水位的平均误差最大值为 0.40 m,最小值为0.02 m,各观测井地下水位的模拟值与实测值的变化趋势吻合较好。经验证算法的合理性和程序的可靠性较好。提出的辐射井子结构法可以精细模拟辐射井的渗流行为和局部精细渗流场,可用于分析辐射井抽水过程中的地下水非稳定渗流变化及取水效率评价。     

泄洪雾雨作用下边坡饱和非饱和非稳定渗流研究

泄洪雾雨作用下的边坡岩体饱和非饱和渗流问题是目前我国西南地区在建和已建高坝所面临的一个共同问题。从理论上分析了雾雨作用下饱和非饱和介质中水分运动特征;根据饱和渗流和非饱和渗流的数学模型,建立起统一的岩体饱和非饱和非稳定渗流数学模型;编制了有地表入渗作用的饱和非饱和非稳定渗流三维有限元计算程序;对有限元求解中的容水度问题、非饱和水力参数问题以及初始水头场问题作了相应的优化处理;以实际工程为例进行了饱和非饱和渗流分析,计算结果表明,比天然降雨雨强大很多的雾雨入渗会形成对边坡稳定不利的暂态饱和区,并引起地下水位的抬高;暂态饱和区的大小和地下水位的增幅取决于边坡表面的护坡效应和排水、防渗帷幕等措施,因此应该加强边坡表面的保护以及合理的设置排水、帷幕等措施,以减少入渗和地下水位的抬高。     

基于非饱和土固结理论的有限元强度折减法

库水位下降使库岸坡体内产生饱和－非饱和非稳定渗流,非稳定渗流作用是边坡失稳的重要原因之一。为了分析非稳定渗流对边坡稳定性的影响,首先推导了固、液两相孔隙介质的固结方程,考虑了土体渗流与变形的耦合作用。在此基础上结合有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,将渗流、变形及稳定分析采用一套统一的有限元方法。并通过算例分析了库水位骤降情况下,坡体的渗透系数、水位降落比对稳定安全系数的影响,计算结果表明,所提的理论和方法是有效可行的,为饱和-非饱和非稳定渗流作用下边坡稳定问题的分析提供了实用工具。     

面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟

采用改进节点虚流量法求解无压稳定渗流场,并引入无厚度的裂缝模型对破坏的垂直缝渗流行为进行模拟,得到面板堆石坝裂缝渗流问题的有限元分析方法,并编制Fortran程序。以某混凝土面板堆石坝为例,计算了面板单一垂直缝破坏和多条垂直缝破坏条件下的三维渗流场,得到不同条件下渗流场的水头分布、浸润线以及渗漏量,系统分析了面板堆石坝在垂直缝破坏条件下的稳定渗流场规律和特点。结果表明,该方法能对渗流逸出点和浸润线进行准确定位,还能很好地模拟面板垂直缝破坏对坝区渗流场的影响,可以为面板堆石坝的接缝设计提供参考。     

大坝渗流基流的分析模型研究

深入研究了库水位等变化对渗流变化滞后效应,探讨了渗流的滞后模型,利用该模型进行优化分析,确定了渗流滞后天数和影响天数以及上游有效水深等参数;并借助于上游有效水深,将非稳定渗流计算问题转化为稳定渗流的求解问题,简化了计算;在此基础上,结合实测资料及渗流分析,建立了大坝渗流基流的分析模型。算例表明：建立的模型能较好地反映基流的变化性态。     

考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序研制

探索考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元技术,并研制成功一个考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序,通过与传统极限平衡法分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行了评价,得出采用三维强度折减有限元法确定考虑饱和-非饱和渗流场的边坡稳定性安全系数是可行的结论.     

越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析

隧道开挖和由开挖引起的地下水渗流引起围岩应力重新分布,对隧道围岩的稳定性有重要的影响。本文把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来,根据渗流场边界建立了合理的三维有限元分析模型,对规划完成的某越江隧道开挖过程的水-力耦合效应进行了研究,建立了稳定流条件下渗流-应力耦合的基本方程,分析了孔隙水压力随隧道开挖过程的变化规律和水力耦合对围岩位移、应力及支护结构应力的影响程度。数值计算结果表明,渗透系数大的岩层渗流速度和位移受渗流的影响较大,渗流使隧道围岩的位移和应力及支护结构的应力都有较大的增加,水下隧道的设计和施工应该考虑渗流效应。     

水平面渗流有限元中利用接触单元模拟悬挂式阻水结构

区域性渗流场由于范围大,通常忽略掉竖向的水头损失而用水平面二维有限元进行分析,但在城区区域渗流场中悬挂式阻水结构物量多,竖向绕流现象突出,用一般水平面二维有限元进行分析将产生较大的偏差。针对这一问题在悬挂式结构体周边引入一层无厚度界面接触单元。在水平面有限元中利用它考虑因竖向绕流产生的局部水头损失。利用阻力系数的方法和二维状态下截面突变流道流动的解析解,同时考虑防渗墙本身的弱透水性,推导了接触单元的导水矩阵。应用接触单元编制了相关程序,在水平面有限元中利用接触单元对悬挂式阻水结构进行分析,并将结果与三维有限元进行比较,两者的计算结果在流量上保持一致,在水头上前者是后者在同一位置处沿高程方向平均值。提出的该计算方法,对于用水平面二维有限元分析含有悬挂式阻水结构的大区域渗流问题,是一个有效的手段。     

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     

Using zero-thickness elements to simulate suspended cut-off walls in a regional seepage field

A regional seepage field is usually simulated by 2D horizontal seepage finite element method (FEM). However, the Dupuit assumption means that it does not take into account hydraulic head loss caused by vertical flow. In order to simulate a regional seepage field containing suspended cut-off walls by 2D horizontal FEM without any loss of accuracy and efficiency, a zero-thickness element is introduced. The zero-thickness element is used to model suspended cut-off walls and take into account the hydraulic head loss caused by vertical flow near the walls. The matrix equation is deduced. The deduction is based on the resistance coefficient method and the analytical solution of flow near suspended cut-off walls under plane condition. The accuracy of the method is assessed by comparing with 3D FEM results. These coincide with each other both in discharge and hydraulic head. The method is an effective way to simulate a suspended cut-off wall in a regional seepage field with 2D horizontal FEM.     

面向对象自适应渗流有限元分析软件的研究和实现

采用面向对象技术,应用C++研制了一个自适应渗流有限元分析系统。该软件系统的前处理过程用对象化建模,具有实现方便,界面友好的优点。自适应有限元模块的引入使该系统具有规范性和客观性,计算结果不会因人而异,且后处理界面形象直观。笔者还给出了一个土坝渗流的实例,验证了该软件的可用性和优点。     

考虑饱和-非饱和渗流、温度和应力耦合的三维有限元程序研制

在探索多场耦合理论基础上,研制出了一个考虑饱和-非饱和渗流场和温度场对应力场作用的三维弹塑性有限元程序,该程序采用了以下简化假设：不考虑力学过程和渗流过程对温度场产生的影响,而只考虑变温对力学过程产生的影响;不考虑力学过程和温度场对渗流场产生的影响,而只考虑渗流场对力学过程产生的影响。经与弹性力学解析解对比,验证了该程序计算结果是合理的。     

渗流对采空场处理的影响

应用渗流与应力耦合分析软件EPSCA3D和三维有限元软件ANSYS,分别研究了木架山和东桐峪金矿采空场处理前、后的顶板力学特性。结果表明,渗流将会引起采空场处理后的岩体移动量减小;顶板应力的变化取决于渗透性和流向;渗透性较流向对顶板应力重分布的影响更大;若渗流流向近似水平,则上部采空区顶板的拉应力增大,压应力减小;若渗流流向近似135°,则上部采空区顶板的拉应力、压应力都减小。渗透性和流向受赋存的隔水层的控制。     

黄河龙口水利枢纽库坝区渗漏三维有限元分析

应用三维等参数有限单元法,对黄河龙口水库库坝区周围一定范围的初始渗流场、万家寨蓄水后的渗流场及龙口工程蓄水后的渗流场进行了数值模拟,并计算了相应的渗流量。