数值流形方法对岩土工程开挖卸荷问题的模拟

基于数值流形方法数学覆盖与物理网格的相对独立性,考虑任一时刻体系中真实存在的各平衡力项对体系平衡的作用,提出用数值流形方法模拟岩土工程开挖卸荷的方法。相对于传统数值方法,数值流形方法在模拟开挖时不用计算开挖面上的释放荷载,不用为卸除的材料部分准备专门的单元,简单的数学网格可以适应任意的开挖过程,使其对开挖的模拟更加简便和有效,同时高阶的流形方法对开挖问题具有较高的求解精度。     

开挖模拟在数值流形方法中的实现

针对数值流形方法特有的覆盖剖分方式,提出了一种模拟岩土工程中开挖过程的算法。该算法采取某种措施,在覆盖剖分过程中将开挖面视为特殊的不连续面,这种不连续面将其所在的数学网格剖分成不同的流形单元,但却不对所在的数学覆盖作剖分。这样,开挖面两侧虽分属不同的流形单元,但开挖面两侧同一数学网格内的流形单元却具有相同的物理覆盖。采用该算法,无需对开挖面处的单元进行特殊处理,可在整个分析域采用统一的网格形式;同时,打破了原有数值流形方法的限制,将开挖面的位置完全当作连续介质来处理,避免了因将其视为不连续面而产生的误差。验证了算法的可靠性后,将其应用于某假想隧道的开挖模拟,计算结果表明该算法具有一定的应用前景。     

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。     

岩土工程数值模拟新方法

论述了岩土工程数值模拟的新进展和近年来新出现的数值模拟方法,重点介绍了无网络伽辽金法（ＥＦＧＭ）和数值流形法（ＭＭ）的原理及其在岩土工程中的应用,指出了今后研究的重点方向。     

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。     

六面体有限覆盖的三维数值流形方法的非线性分析

对三维问题的分析是数值流形方法发展的必然,在数值流形方法覆盖位移函数的基础上构造了一种六面体有限覆盖的三维流形单元,推导了相应的应变矩阵、刚度矩阵及平衡方程等表达式。同时,由于目前数值流形方法的模拟分析主要是采用线弹性模型,而对于非线性模型分析研究很少;根据数值流形方法的特点和岩土体的本构模型,给出了适用于数值流形方法进行非线性分析的算法。该方法利用中点增量法进行求解,以改变 模型和 模型中弹性模量的方式来反映非线性,其实质是用分段线性来取代非线性。通过地基沉降计算算例表明,数值流形方法在三维岩土体中进行非线性分析中是有效的。     

数值流形法的T样条局部加密算法

在岩土工程分析中求解精度控制常常是必需的,在数值流形法中可以通过控制数学覆盖网格的稀疏和覆盖位移的阶数来达到精度的要求。提出了基于等几何分析的数值流形方法,定义了相应的数学覆盖的构造形式,推导了基于二次B样条的9节点数值流形方法分析格式;针对基于Lagrange插值函数的4节点数值流形方法提出了基于T样条思想的数学覆盖网格的局部加密方法。算例计算结果表明,相对于4节点的数值流形方法,基于非均匀有理B样条的9节点数值流形方法具有更高的精度;基于T样条思想的加密网格在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量,表明T样条加密是一种自然的局部加密算法。     

海岸岩土工程的物理与数值模拟方法

采用物理模型试验来再现实际现象,验证数值模拟方法的有效性;同时采用数值模拟来弥补离心模型试验的缺陷,揭示模型试验规律,评价实际海岸岩土-结构系统在不同工况下的变形与强度稳定性及其变化.并简要地介绍了针对防波堤土工织物加筋垫层作用机理研究、黄骅港外航道防沙堤工程安全性评价、上海洋山港浅置式大圆筒结构试验段工程安全性评价三个具体项目进行评价的成果,初步展现了物理模型试验与数值模拟方法在海岸岩土工程的机理研究、方案论证、结构与施工优化、结构安全性评价等方面所能发挥的重要作用和广阔的应用前景.     

全长黏结锚杆的数值流形方法模型

基于流形方法的有限覆盖技术,确定流形元覆盖系统下锚杆的位移函数,由此建立全长粘结锚杆的数值流形方法模型,定义了锚杆流形单元,并推导了锚杆流形单元的数值计算格式。该模型符合全粘结的物理意义,是一种局部解析的锚杆数值方法,具有较高的精度。同时锚杆与数学覆盖相对独立,只要求锚杆完全处于数学网格的覆盖之中,对其相对位置没有要求,所以一般网格可以适应锚杆的复杂布置。该模型可以应用于岩土锚杆模拟及钢筋与混凝土共同作用分析等问题。     

数值流形方法框架下散体系统与连续介质共同作用模拟

数值流形方法是包含流形元、有限元及DDA在内的数值方法体系,建立流形元与DDA块体的接触方程,则可实现流形方法框架下的连续介质和散体系统共同作用模拟。针对填石路堤工程,编制了大型数值计算程序,采用块体随机生成、块体粒径控制及块体自然堆积的方法建立散体系统的DDA模型,对路堤的分层铺设、碾压及工后沉降变形等进行模拟分析。通过算例表明,在数值流形方法框架下,采用流形元与DDA共同作用的方法,可以很好地对同时存在连续变形和散体大变形的体系进行计算分析,其对该类问题的模拟更接近分析对象的实际情况,有助于从根本上揭示分析对象变形的细观机制和规律,并能考察更多因素对工程问题的影响。     

Experimental investigation of fracture propagation and inrush characteristics in tunnel construction

It is well known that water inrush during excavation is one of the greatest challenges in modern underground engineering. However, the fracture propagation and inrush characteristics induced by excavation and high-pressure water are poorly understood due to the lack of an appropriate experimental apparatus and an online and real-time monitoring approach. Accordingly, a model test system for the simulation of water inrush during excavation and water injection was developed. Acoustic emission (AE) monitoring during excavation and injection was used to investigate the fracture propagation and water-inrush channel formation in the host rock. Three distinct stages were observed in the AEs over time and were related to the fracture propagation during excavation and injection, namely fracture initiation, fracture extension, and unstable fracture growth (fracture network). The AE results exhibited an increase in AE activities and changes in the AE spatial correlation during the excavation and during the increase in injection pressure. A comparison of photographs of the water-inrush locations and the mechanical characteristics obtained from the AE test verified the proposed method. The results provide valuable insights and a suitable method for the investigation of the mechanism of water inrush in underground engineering.

     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

宝钢轧机旋流池深基坑的监测分析

介绍了宝钢一个采用半逆作法施工深基坑的现场监测实例.通过对地下连续墙侧向位移、孔隙水压力、土压力、钢筋应力及坑底隆起等监测结果的分析,得出一些有价值的结论,可以为类似工程的设计、施工和监测提供一些借鉴.     

花岗岩残积粘性土加、卸荷抗剪强度分析

以广州地区花岗岩残积粘性土为研究对象,通过击样法制备特定含水量试样,在不同压力下进行固结加、卸荷试验,对比分析试验数据,初步研究加、卸荷状态下花岗岩残积粘性土的抗剪强度变化,探寻先期固结压力、含水量与抗剪强度间规律。重塑残积土抗剪强度随含水量增加而减小;在先期固结压力相同的条件下,卸荷相对加荷试验条件下的土体强度显著减小,且减少值随残积土含水量的增加而逐渐减小,故在基坑开挖等卸荷工程项目中,应充分考虑卸荷对土体抗剪强度的影响,在卸荷工程中采用土体卸荷抗剪强度指标更符合工程实际。     

基于离心试验与数值模拟的圆砾地层深基坑弹性地基模式研究

本文以南宁轨道交通1号线广西大学站深基坑为工程背景,对圆砾地层深基坑工程进行离心机模型试验,并采用Plaxis数值模拟进行对比分析,分别获取了围护墙体变形、侧向土压力数据。基于以上数据,根据基坑弹性地基反力法基本原理,进一步对圆砾地层深基坑围护结构弹性地基主动区、被动区的计算模式进行了分析研究,结果表明:圆砾地层深基坑墙后土压力大小与墙体位移有关,达到主动土压力状态所需的墙体位移量S/h约为0.1%;主动区土压力分布形态为开挖面以上三角形、开挖面以下矩形,符合弹性地基反力法计算模式;被动区地基水平基床系数K随深度近似呈线性增长关系,即弹性地基模式符合m法的分布形态。     

润扬大桥南锚场区基坑涌水量及扬压力的数值模拟

润扬大桥南锚工程为一大型深基坑工程。在钻探、物探、构造分析、抽水试验和压水试验工作的基础上，分析和概化了场区的水文地质条件，建立了数学模型，并用数值方法求解。预测了施工时的地下水涌水量，计算当基坑开挖排水时作用于强风化带底部的扬压力及对基坑稳定性的影响，为设计施工提供地质依据。     

某地下空间承压含水层抽水试验及成果分析

由于地下水突涌风险,地下空间在施工作业中有必要通过抽水试验确定承压含水层的水文地质参数。依据勘察报告的初步评价,基坑开挖15.5m时,场地内第⑦1层承压含水层有可能产生突涌,为确保工程安全施工,需开挖前进行承压含水层抽水试验,取得场地承压含水层水文地质参数及降水引起的沉降特征,为地下空间设计和施工提供可靠依据。本次布设抽水井、观测井、分层沉降标组、孔隙水压力观测孔及地面沉降观测点,依据抽水试验技术要求获取渗透系数、抽水影响半径等相关水文地质参数。最后,针对工程场地内承压水情况及特点进行分析,提出基坑开挖时的承压水降压建议方案。     

低地应力区地下洞室围岩压力计算方法及应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞等为例,对低地应力区地下洞室围岩压力计算方法与应用进行了研究。研究认为,低地应力区地下洞室围岩压力可分为拱顶横向拉张塌落型、侧壁切向挤压滑落型和洞周自重掉落石块型三种破坏类型产生的围岩压力,并讨论了低地应力区地下洞室围岩压力的计算公式。以研究区引水洞为例,分别计算了拱顶围岩整体滑落和侧壁围岩整体滑落型围岩压力。该项研究成果,它将有利于进一步研究低地应力区洞室围岩稳定性与相应稳定性措施的实施,有助于工程的顺利进行。     

浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究

龙潭隧道是沪－蓉高速公路工程的控制性工程。地质条件复杂,集浅埋、偏压、涌水、涌泥、岩爆等地质问题于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道。隧道洞口段处在浅埋偏压段时,施工难度相当大。从隧道开挖与支护的安全性出发,论述了浅埋偏压隧道的设计与施工情况。以右线出洞口为例,采用三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D),对其施工开挖过程及支护进行了模拟。通过对开挖支护后围岩的应力场、位移场及塑性区特征的分析,得出了一些建设性的结论,对工程的施工具有指导意义。     

相邻基坑土条土压力计算方法探讨

基坑工程实践中,经常遇到相邻基坑土条土压力如何计算的问题,现行基坑规范尚没有计算方法。通过理论探索和工程实践,对前、后期的基坑支护型式进行了归类和组合,提出了相临基坑宽度的确定原则;提出了建立在库仑土压力理论基础之上的简化计算方法--叠加法,推导并给出了非黏性土和黏性土在不同坡率和地面分布有荷载条件下主动土压力系数和土压力的计算公式,并提出了临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式。利用所提出的叠加法、临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式,可以简捷地计算不同土层、不同坡率和地面荷载条件下的土条土压力合力及土压力强度。工程实践表明,该方法概念清晰、理论依据充分、计算公式简便,以此设计的基坑支护结构安全合理,可供类似基坑支护工程设计参考。