岩体黏弹性蠕变计算的高阶数值流形法研究

数值流形法（numerical manifold method）是一种新型的数值计算方法,已成功应用于岩土工程的诸多领域,但该方法尚未应用于岩土工程蠕变分析。近年来对高阶流形法的研究表明,对复杂的岩土工程问题,使用高阶覆盖函数可明显提高流形法的计算精度。为此,开展了用高阶流形法模拟蠕变的研究,在高阶流形法中引入“时步-初应变”法计算蠕变,以广义开尔文体为基础,推导了相关的计算公式,并编制了相应的计算程序,同时还通过算例,验证了方法的可行性和合理性。结果表明,高阶流形可以方便地与“时步-初应变”法结合用于蠕变计算,可较好地模拟蠕变变形。算例分析表明,在不改变网格密度情况下,仅通过采用高阶覆盖函数,高阶流形法可大幅提高传统流形法的计算精度。     

一种模拟岩石蠕变的数值流形方法

为了保障岩土工程结构能长期正常使用,需要对其蠕变变形进行分析。“时步-初应变”法是一种常用的计算岩石蠕变的方法。数值流形方法是一种新兴的数值计算方法,常用于计算节理岩体的变形,但尚未被试用于计算蠕变变形。在原数值流形方法的程序中增加了基于“时步-初应变”法的计算模块,通过对广义开尔文模型进行的模拟,显示新程序可以正确反映岩石的黏弹性蠕变趋势,并能够计算包含节理的岩体的蠕变变形,改进后的数值流形方法不但能够模拟岩石的线弹性变形,而且可以模拟岩石的黏弹性蠕变,比原流形方法更能全面地模拟岩石的变形,扩展了数值流形方法在岩土工程中的使用范围。     

复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建

复杂三维地质可视化和数值模型的构建是采矿、岩土及水利水电工程中常常遇到的关键问题。针对数值模拟软件在复杂矿区地质体模型构建及单元网格划分等前处理问题上存在的不直观、工作量大等缺点,结合矿业软件在复杂三维地质体建模的强大优势,在研究线框模型和块体模型差异的基础上,提出了基于线框模型的复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建技术。根据线框模型特点不同,以地表和采空区模型为型,分别阐述了基于Surpac的表面模型和实体模型无缝转换成MIDAS/GTS数值模型的有效方法,并将该技术成功应用于冬瓜山铜矿复杂采空区群围岩稳定性研究中。结果表明,该方法是可行、有效的,从而为矿山开采设计、安全分析及复杂地质体结构的岩土工程数值模拟分析提供了一种新的建模方法。     

基于四叉树网格和多边形比例边界有限元方法的岩土工程非线性静动力分析

有限单元法(FEM)作为强大的数值分析技术广泛应用于岩土工程结构数值模拟。由于传统有限元的单元形状局限性以及岩土工程模型的复杂性(分层施工模拟、复杂材料分区等),较难编制通用的高质量网格剖分算法,使得模型网格生成消耗整个分析过程的大部分时间,阻碍快速自动化分析进程。采用四叉树网格剖分技术,联合非线性多边形比例边界有限元(PSBFEM)方法,发展了一种可用于岩土工程结构的快速建模和数值分析方法。对某心墙坝进行了静动力数值模拟,并与传统有限元结果对比验证了其正确性。研究表明,文中方法具有使用简便、网格灵活、生成速度快、质量高等特点,可以大幅降低累赘繁琐的人工干涉,为工程结构快速设计–优化提供有力的技术手段。该方法扩展至三维结构将具有更大的研究价值和工程意义。     

随机-模糊统计方法在岩土特征参数指标统计中的应用

岩土工程中的随机-模糊统计方法用模糊理论准确表达了岩土材料的空间变异性。针对随机-模糊方法权重系数的取值进行了讨论,研究了“参照点”在随机-模糊方法的意义,指出了“参照点”与核点无限接近时的最大隶属度才是所要求的正确结果,并根据模糊随机原理提出了直接迭代求解目标函数的流程。采用建议方法对某核电岩土工程中的参数进行了计算,获得了取不同“参照点”时各样本的隶属度曲线以及“参照点”向核点逐步逼近的过程曲线。结果表明,隶属度函数采用指数函数是合理的,样本隶属度分布形态为窄域“正态”分布。所得结论可为随机-模糊统计方法在岩土工程中的应用提供基本理论依据。     

深厚淤泥爆破挤淤堤坝沉降计算与分析

爆破挤淤技术在海洋围垦和潮汐电站等工程堤坝建设中发挥着重要作用,随着海洋工程的不断推进,堤坝修建需要处理淤泥(软基)厚度在逐渐加深,在超过12 m的深厚淤泥中往往采用“悬浮式”堤坝结构,对该种堤坝结构开展沉降计算与分析有着重要的意义和应用价值。以惠州港兴盛油库护岸工程为工程实例,分别采用传统沉降计算方法、基于多孔介质渗透理论的考虑浮力作用沉降计算方法及数值模拟方法,对其爆破挤淤形成的“悬浮式”堤坝开展沉降计算,并与实际监测结果对比验证,分析几种沉降计算方法的适用性和合理性。研究表明,传统沉降计算方法得到的沉降值比实际监测值明显偏大,不适合于“悬浮式”堤坝沉降计算;考虑浮力作用方法和数值模拟方法的计算结果较为接近实际监测值,可用于“悬浮式”堤坝沉降计算。     

地下水数值模型三维可视化研究

探讨了利用OpenGL技术实现含水层三维可视化的原理和方法,基于地下水数值模型的有限元三角网格和含水层顶底板信息,构建含水层三维实体模型,并将地下水数值模型计算结果通过三维表面动画的形式进行动态显示。本项研究为全方位、多视角地展示地下水系统进行了有益的尝试,将三维可视化技术成功地应用到地下水模拟研究。      

含预制裂纹的水泥砂浆试块在爆炸载荷作用下损伤特征的数值模拟

把能够体现岩体在冲击载荷作用下的响应特点及损伤演化的各向异性特征的损伤模型嵌入到有限元软件中，模拟了含有预制裂纹的水泥砂浆试块在爆炸载荷作用下的损伤特征。模拟结果表明，在爆炸近区产生一个损伤“重灾区”，并可根据模拟结果确定“重灾区”及爆炸损伤的范围，模拟结果与试验结果基本一致。模拟方法可以为岩土工程中经历过爆炸损伤岩体的稳定性研究提供理论依据。     

压实流盆地油气运移动力学模型与数值模拟--以东营凹陷为例

针对压实流盆地“离心”式流体势场性质和泥质岩排流模式,建立了东营凹陷沙三段古水动力学概念模型和“准三维非稳定流”数学模型?将古水动力场均衡网格与压实-排流结点网格系统迭加,由达西定律和水均衡原理建立了水均衡差分方程,从而为古水动力学?古流体势场和石油二次运移数值模拟提供了数值方法?模拟结果表明,在东营期末(25Ma),高势区位于利津和牛庄洼陷中心,最大可达59000m2/s2,并向盆地边缘逐渐降低?油气由高势区向低势区呈“离心”式运移,这正是控制油气呈环?带状聚集与分布的区域动力学条件?模拟结果还显示,沙三段在明化镇期(5Ma)?东营期(25Ma)和现今,其石油的运移速度分别为30~40km/Ma?5~25km/Ma和5~10km/Ma,运移动力也因地质时间和空间而不同     

某水利枢纽厂房开挖三维可视化与数值模拟耦合研究

对某水利枢纽工程坝址区工程地质三维可视化与FLAC3D数值模拟耦合进行了研究。利用钻孔信息,采用多层DEM技术建立三维格网地层模型,然后,将各种工况几何形体映射到地层格网上。在此基础上,根据FLAC3D建模特点,用一系列横截面切割此三维地质模型,并保证相邻两剖面拓扑一致（或退化）,再通过对相邻剖面网格调整、连接形成FLAC3D基本单元。运用此方法实现了该水利枢纽工程三维数值模拟。     

CAD软件在工程地质三维建模中的应用

如何快速、准确地建立地质体的三维模型一直是众多岩土工程数值模拟工作者所面临的难题。虽然三维地学模拟软件具有很好的三维地质建模能力,但是由于数据结构的差异,采用他们现行三维地学模拟软件建立的地质模型难以导入数值模拟分析软件中,以为相应工程问题的数值模拟服务。目前,随着各种CAD、CAM软件行业的的飞速发展,涌现出了许多优秀的三维建模软件,而且这些软件大都与现行数值分析软件有着良好的数据接口功能。据此,本文提出了采用现行CAD软件来建立工程地质体的三维模型,使得建立的模型达到既可视又可算的目的。将其应用于云南某高速公路边坡的三维建模中,证明了该法具有方便、快捷和合理等优点。     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

A Physical and Numerical Investigation on the Stability of Shallow Tunnels in Strain Softening Media

Summary The behaviour up to failure of shallow underground openings is discussed on the basis of some laboratory, small-scale model tests and of finite element simulation. The experimental results are first illustrated. They were obtained from two-dimensional (plane strain) and three-dimensional tunnel models tested under standard gravity conditions. Then, the phenomenon of strain localisation that characterizes the medium surrounding the model tunnels is discussed, recalling two alternative approaches for its numerical interpretation. On this basis, a finite element procedure for strain softening analyses is outlined and applied to the simulation of the tests in both two- and three-dimensional conditions. The comparison between experimental and numerical results leads to some conclusions on the influence of strain localisation on the overall behaviour of shallow tunnels and on the stability of their headings.     

构造应力场三维数值模拟的有限单元法

目前构造应力场的研究主要是基于平面的二维分析,随着油气成藏过程三维模拟的发展,应力场的三维数值模拟显得越来越重要.从三维空间角度出发,分析了应力场的有限元模拟与求解的整个过程.基于不规则六面体单元的角点网格数据模型,对有限元求解法进行了分析与研究并提出计算方法.基于不规则角点网格数据模型的三维构造应力场有限元计算方法是本文的创新点.最后用上述方法对东营凹陷的牛庄-王家岗区域三维应力场进行了实际模拟计算,计算结果相比于其他数据模型更符合实际情况.      

注浆成型螺纹桩抗拔承载特性的数值分析

注浆成型螺纹桩为一种利用施工工艺创新,结合钻孔灌注和二次注浆技术的新型螺纹抗拔桩型,目前已在软土地区开展应用。为了对其受力承载特性深入研究,使该桩型得到广泛推广,通过数值分析方法对其抗拔性能和承载机制进行了三维有限元数值模拟。首先,通过数值模拟桩-土界面室内大型直剪试验得到了有限元分析需要的桩-土接触面参数,而后将得到的参数带入注浆成型螺纹桩抗拔三维有限元数值模型,通过计算得到了不同距径比S/D（即螺距与桩径的比值）螺纹桩的抗拔荷载-位移曲线和轴力分布,并观察了抗拔过程中桩周土体塑性变形的发展。数值分析表明,螺纹桩与桩周土体的机械咬合作用增大了桩侧摩阻力,从而使桩体极限抗拔承载力较等截面圆桩提高约2～5倍;同时,其承载能力与桩体的S/D有关,当S/D取最优时,荷载-位移曲线的初始切向刚度最大,极限承载力最高,桩周土体形成的连续拱形破坏区域最大。     

深基坑PCMW工法开挖过程离散元数值模拟分析

深基坑稳定性问题是重要的工程问题,其中,有效支护结构是保证基坑工程顺利实施的基础。本文引入离散元法,提出了基坑及支护结构建模和数值模拟方法。采用紧密堆积离散单元构建模型初始地层,引入了离散单元团簇模型来构建表面较为光滑的管桩。以南京某深基坑工程为例,采用三维离散元模拟软件MatDEM3D构建几何模型,并根据土体的力学性质设定相应单元的力学参数。数值模拟中,通过预平衡操作实现土层的压实,进而模拟了基坑开挖过程中土体和管桩的变形。将数值模拟结果与实测监测数据进行了对比分析,评价了基坑支护结构的有效性。这种基坑离散元数值模拟方法在基坑开挖过程的稳定性预判和支护结构的有效性评价上具有潜在的应用前景。     

井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC3D数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构（软煤、硬煤）、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。      

基于精确缩尺的颗粒材料流变研究

基于Feng Y T提出的精确缩尺方法,即根据几何相似、静力相似、动力相似3个相似原理建立一套缩尺准则,使得缩尺前后模型的力学响应保持一致。首次将该理论应用于颗粒材料的流变分析当中,采用Burgers黏塑性蠕变模型,引入流变参数,在原缩尺准则上进行理论推导,得到在二维和三维条件下的缩尺准则;其次在理论推导的基础上进行数值仿真验证。研究结果表明：严格按照拟定的缩尺准则选取参数后,缩尺后模型的力学响应能够保证和原尺寸模型完全一致,计算误差在3%以内,同时简要探讨了时间步长、黏性系数、颗粒数目、比尺数对数值试验的影响,为数值试验中相关参数的选取以及如何让数值模型反映材料真实的力学行为提供了有效参考。另外,由于缩尺模型采用与原模型相同的颗粒数目、颗粒形状、颗粒压实状态和比尺数,揭示了等比例缩尺对材料流变行为的影响。     

GMS数值建模方法研究综述

GMS 和 FEFLOW 为地下水数值模拟软件的典型代表,FEFLOW 具有强大的可视化功能和方便的输入输出,其缺点是难以处理复杂的水文地质条件,而 GMS 具有强大齐全的地下水模拟功能,几乎囊括了与地下水有关的所有模拟功能,包括地下水随机模拟.详细介绍了基于有限差分原理的 GMS 软件中的各个模块,以及采用 GMS 软件组建地下水数值模拟模型的各种方法,包括网格法、概念模型法和 Solid 法.     

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。