观音岩水电站混合坝接头结构形式研究

将无厚度接触摩擦单元,引入观音岩混合坝接头的堆石体与混凝土挡墙之间的接触面力学行为进行模拟。采用Ducan双曲线E-B模型模拟堆石体及心墙的本构关系,考虑堆石坝的实际填筑施工过程和水库蓄水过程,对接头处的结构形式进行了接触面坡度变化和水平面上转角变化的敏感性分析,以揭示竣工期和运行期不同接头结构形式接触面上的法向应力、接触状态和可能发生水力劈裂的范围,推荐最优的接头结构方案。大坝连接坝段的三维非线性仿真分析结果表明,心墙接触面上的法向正应力均为压应力,接触面坡度越陡,接触面法向压应力越小;混凝土挡墙向上游转动的转角越大,法向压应力越大。综合来看,插入式方案4的接头部位的综合防渗性能最好,因此推荐该方案为混合坝接头的结构设计方案。     

改进的薄层单元在桩-土动力相互作用中的应用

在地震荷载作用过程中,由于桩身材料性能与周围土体性质差异较大,土体在桩-土接触面上发生张开或滑移,该强非线性接触行为直接影响接触面附近土体与桩体应力状态,从而影响上部结构地震响应水平。真实桩-土接触面由于桩身表面混凝土约束关系,具有一定厚度且存在相关体变规律的接触带。通过有限元软件ABAQUS用户自定义单元UEL程序编写改进Desai薄层接触单元,在Desai薄层接触单元中加入Rayleigh阻尼项以模拟地震作用时桩-土强非线性接触行为能量耗散过程。接触面法向与两切向本构关系采用双曲线模型。规定了Desai薄层接触单元在桩-土接触面上的行为模式以模拟土体在接触面黏结、滑动、张开、再闭合等接触状态。建立精细三维桩-土-结构体系动力相互作用模型以研究改进Desai单元对上部结构峰值动力响应水平影响,为工程结构抗震设计时程分析提供参考依据。     

龙首二级面板堆石坝三维真非线性地震反应分析和评价

基于土石料三维粘弹塑性动力本构模型,并采用新型三维各向异性有厚度薄单元来模拟面板和堆石的接触面特性,建立了高面板堆石坝地震反应分析的三维真非线性动力分析方法.利用坝料动力特性的大型三轴试验成果,分析计算了龙首二级(西流水)面板堆石坝的地震反应,主要包括加速度反应、堆石体应力反应及坝体单元抗震安全系数、面板应力反应和变形及接缝位移、高趾墙动力反应等.为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

弹塑性无厚度接触面单元的本构积分算法及验证

对基于理想弹塑性理论框架、屈服准则为Mohr-Coulomb准则、采用非关联流动法则的无厚度接触面单元的本构积分算法进行了探讨,引入非关联的伪屈服函数和伪势函数,提出了将超出屈服面、处于角点应力区的试应力双向返回到屈服面的本构积分算法。据此编制了ABAQUS用户单元子程序,进行了算例验证。结果表明,提出的算法可以较好地实现土与结构物共同作用的有限元数值模拟。     

混凝土面板堆石坝的一种坝坡修整算法

基于混凝土面板堆石坝面板施工的实际情况,指出了通常混凝土面板堆石数值计算在模拟面板施工算法上的缺陷。提出了面板堆石坝竣工期上游坝坡修整力学问题,建立了一种适合平面问题和三维问题的统一坝坡修整算法,对任何采用接触模型模拟垫层料和混凝土面板受力特性的有限元计算模型,都具有普遍意义,并在有限元软件ABAQUS中实现了该算法。算例分析表明：该算法简洁和有效,能够保持良好的网格形态,使接触非线性计算收敛速度极大改善,并使蓄水状态下混凝土面板和坝体计算结果更趋于真实。同时,对考虑堆石料流变特性,研究施工阶段或蓄水后混凝土面板与垫层之间是否会发生“脱空”现象提供必要基础。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

多裂纹扩展的扩展有限元法分析

建立了求解多裂纹扩展的扩展有限元法。引入裂纹交叉汇合加强函数以分析多裂纹交叉汇合过程;在裂纹附近区域使用广义形函数,并引入线增函数消除混合单元,可有效地提高裂纹附近的精度;用砂浆法（线段-线段接触法）结合增广型Lagrange乘子法处理裂纹段的接触条件,可以精确地模拟裂纹面约束,并方便地求解控制方程。算例分析了两方面内容：（1）计算交叉裂纹体的应力强度因子,结果表明提出的方法精度高;（2）模拟多裂纹扩展及交叉汇合过程,模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得较好,表明了方法的可靠性。     

基于统计损伤本构模型的改进桩-土接触面模型研究

建立准确合理的接触面本构模型是研究桩基承载力、沉降及变形等问题的前提。考虑桩-土界面初始剪切刚度的深度效应,提出基于统计损伤本构模型的无厚度接触面本构模型,根据剪切试验的数据对改进的接触面本构模型参数进行拟合,得到了不同法向应力下的模拟曲线。利用FLAC3D软件内嵌的FISH语言,对桩-土界面进行改进本构模型的二次开发,提出的无厚度接触面模型合理地模拟出桩-土界面刚度的非线性,成功实现了桩-土剪切试验过程的数值模拟。计算结果表明：提出的无厚度接触面本构模型能够合理地模拟桩-土界面的力学行为,可以描述接触面刚度的非线性变化,也适于程序化计算,拓展了接触面统计损伤本构模型的应用领域,为深入探讨桩基承载变形性状奠定了基础。     

流变变形对高面板堆石坝面板脱空的影响分析

面板堆石坝尤其是高面板堆石坝的运行实践表明,堆石的流变现象比较显著。采用基于直接约束算法的接触力学分析方法模拟了混凝土面板和堆石体之间的接触关系。考虑堆石体的流变特性,并结合天生桥一级面板堆石坝的现场观测结 果,对高面板堆石坝中的面板脱空问题进行了有限元计算分析,研究了坝体流变变形对面板脱空和垫层亏坡问题的影响。     

基于扩展有限元法的大坝面板脱空三维模拟分析

混凝土面板与堆石体之间由于变形不协调导致的面板脱空是面板堆石坝工程中常见的现象,严重时可引起面板的开裂并威胁大坝的整体安全,非常有必要计算分析面板是否会出现脱空以及脱空值的大小。针对以往的计算方法难以在直观性、计算精度和容易实施之间取得平衡的现状,尝试将脱空视为物体内部不连续界面发生的相对位移,用扩展有限元法(XFEM)进行模拟分析。首先将一种复合式XFEM接触本构模型扩展到三维,实现在三维条件下XFEM对不连续界面发生张开和错动的表述,再通过一个滑块模型算例用自编程序和ABAQUS的接触力学方法进行模拟和对比,验证该三维界面接触算法的正确性,最后以天生桥面板堆石坝为算例计算了面板部位的脱空情况,并与实测值和对偶mortar方法的计算结果进行对比,验证该方法计算大型实际工程的能力。     

On the Implementation of augmented Lagrangian method in the two‐dimensional discontinuous deformation Analysis

The discontinuous deformation analysis (DDA) is a discontinuum‐based method, which employs a penalty method to represent the contact between blocks. The penalty method is easy to be implemented in the program, but the contact constraint is only approximately satisfied. Penetrations between contacting blocks are unavoidable even if the penalty value is very large. To improve the contact precision in the DDA, an augmented Lagrangian method is introduced, which can make use of advantages of both the Lagrangian multiplier method and the penalty method. This paper provides a detailed implementation of the augmented Lagrangian method in the DDA program and compares it with the standard DDA on the computational efficiency and contact precision. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

New point-to-face contact algorithm for 3-D contact problems using the augmented Lagrangian method in 3-D DDA

This paper presents a new point-to-face contact algorithm for contacts between two polyhedrons with planar boundaries. A new discrete numerical method called three-dimensional discontinuous deformation analysis (3-D DDA) is used and formulations of normal contact submatrices based on the proposed algorithm are derived. The presented algorithm is a simple and efficient method and it can be easily coded into a computer program. This approach does not need to use an iterative algorithm in each time step to obtain the contact plane, unlike the ‘Common-Plane’ method applied in the existing 3-D DDA. In the present 3-D DDA method, block contact constraints are enforced using the penalty method. This approach is quite simple, but may lead to inaccuracies that may be large for small values of the penalty number. The penalty method also creates block contact overlap, which violates the physical constraints of the problem. These limitations are overcome by using the augmented Lagrangian method that is used for normal contacts in this research. This point-to-face contact model has been programmed and some illustrative examples are provided to demonstrate the new contact rule between two blocks. A comparison between results obtained by using the augmented Lagrangian method and the penalty method is presented as well.     

顺层岩质边坡渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究

提出了利用Lagrangian乘子网格来模拟顺层边坡层间结构面接触行为的方法,并推导了考虑接触约束的Lagrangian控制方程的弱形式及其有限元离散方程。Lagrangian乘子网格容许界面出现较大的切向滑移,较好地解决了接触问题中的高度非线性和响应不平滑性。应用以上方法对沪－蓉－西高速公路某顺层岩质高边坡进行了数值模拟分析,得到了临滑状态下的位移场、应力应变场、结构面上的接触状态、层间滑移距离以及接触摩擦力的分布规律。数值模拟结果表明,顺层岩质边坡的破坏是一个渐进的过程,由最初的层间错动,发展为顺层蠕滑,最后在坡底剪出而破坏;其破坏型式由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。     

三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法

针对已知滑动面的三维边坡稳定分析问题,在塑性力学上限定理的基础上,提出了求解安全系数的三维有限元弹塑性迭代解法。对于滑动面的非线性特性,采用常规的矩形（平面）或立方体（空间）单元来描述,应力则符合相关联流动法则的Mohr-Coulomb强度准则。通过对弹塑性增量理论中流动法则的分析,证明了当结构达到极限状态时,滑动面内切向应力的方向与滑体的主滑方向一致,说明最终以滑动面内的切向应力作为滑体滑动力的有效性。通过迭代的方式,逐步降低滑动面材料的抗剪参数,使边坡达到极限状态,不仅快速求得了滑动面的安全系数,且能够得到边坡在接近临界失稳状态时滑动面内切向应力的分布情况和边坡的变形规律,为边坡采取加固措施提供了参考依据。最后,以椭球面滑动和楔形滑动2个经典算例和工程实例,验证了该方法的有效性和正确性。     

Finite element modelling of frictional instability between deformable rocks

Earthquakes are recognized as resulting from a stick–slip frictional instability along faults. Based on the node‐to‐point contact element strategy (an arbitrarily shaped contact element strategy applied with the static‐explicit algorithm for modelling non‐linear frictional contact problems proposed by authors), a finite element code for modelling the 3‐D non‐linear friction contact between deformable bodies has been developed and extended here to analyse the non‐linear stick–slip frictional instability between deformable rocks with a rate‐ and state‐dependent friction law. A typical fault bend model is taken as an application example to be analysed here. The variations of the normal contact force, the frictional force, the transition of stick–slip instable state and the related relative slip velocity along the fault between the deformable rocks and the stress evolution in the total bodies during the different stages are investigated, respectively. The calculated results demonstrate the usefulness of this code for simulating the non‐linear frictional instability between deformable rocks. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

地基沉降大变形有限元分析的几何刚度效应

研究了基于完全拉格朗日（Total Lagrangian）描述的大变形有限元法分析地基沉降问题的几何刚度效应。在有限元列式的推导过程中严格考虑了土力学表述习惯的影响。通过算例分析,主要研究了几何刚度效应对荷载-沉降曲线的影响,并对比分析了不同率型大变形分析中的几何刚度效应问题。结果表明,几何刚度效应的存在减小了地基大变形有限元系统的刚度;忽略几何刚度效应将导致沉降计算结果偏小,在地基变形较大的情况下误差更明显,Truesdell率型大变形分析的最终沉降结果与小变形法的结果一致。几何刚度效应在地基大变形有限元分析中具有一定程度的影响,处理不当可能出现结构刚度增大的现象。大变形分析结果的性质偏于刚硬。     

顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析

基于理想弹塑性本构模型和Drucker-Prager准则,运用ANSYS软件和有限元数值模拟技术,建立了顺层岩体边坡的有限元分析模型。结合沪蓉国道主干线宜昌至恩施公路白氏坪-榔坪段顺层路堑高边坡工程实例,对顺层岩体路堑边坡布设锚杆支护前后的应力、变形和稳定性进行了模拟分析。分析比较表明,锚杆支护结构可以减小边坡临界状态下的最大位移、增大最危险接触面的摩擦力和提高边坡的稳定性系数,从而能有效地提高边坡的稳定性以防止顺层滑坡的发生。