基于数值建模方法的弹塑性固结问题解耦研究

研究了弹塑性固结问题的解耦方法。首先,在数值建模方法下得出土的弹塑性本构关系,推导了两类问题下的应力-应变关系统一矩阵式,并将数值建模方法与Biot固结理论相结合,建立了基于此本构关系的固结问题控制方程的增量形式。考虑应力路径的影响,讨论了此类液-固耦合问题的解耦条件,导出了在该条件下的扩散方程和非耦合控制方程,并编制有限元程序计算了两个典型算例,通过对比分析表明,该方法简单合理,能考虑剪胀性对固结规律的影响。     

Numerical Method for Modeling the Constitutive Relationship of Sand under Different Stress Paths

Overonehundredconstitutivemodelsforsand havebeenproposed,howeveronlyafewmodelsare widelyappliedinengineering.Therearetwochief reasonsforthis.(1)Sandiscomposedofgeological materialsandsituatedinaneutralenvironmentthat hassufferedvariousactions.Therefore,itisdifficult todescribethecomplexbehaviorofsoilsbyusinga simplemathematicalmodelwithonlyafewparame ters.(2)Therealsoexistsabasicparadoxintradi tionalmodelingmethods.Oneaspectofthemodelsis neededtodescribetheconstitutiverelationofsoilac curatel…     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

应力路径对地表变形特性影响的数值模拟

针对不同环境条件及工程因素对地表变形影响的不同特点,研究了不同应力状态下土的变形特性,得出其影响地表变形的基本规律。通过典型三轴试验对比分析了变形规律,由试验数据空间反演了各应力路径下的本构模型空间,编制相应的模块嵌入有限元程序,模拟了几种不同路径下地表沉降算例,得到了导致地表变形的几个基本规律：①不同的地表变形问题对应的应力路径千差万别,需要用不同的应力路径条件下的本构模型进行分析;②应力路径的影响是不可忽略的,甚至在诸多因素中起主导作用;③数值建模方法建立起来的模型通过权值系列的不同反映应力路径的影响,能较好应用于此类问题的分析;④CTC与TC路径极限体变相差近20 %;⑤CTC路径的剪缩区范围比CTE路径大,两种路径下剪缩体应变值最大相差近17.3 %;CTE路径较CTC路径的剪胀更为明显,剪胀体应变最大相对差值近98 %。     

不同固结条件下黏土数值化建模的研究

研究了不同初始固结压力条件对黏土本构关系的影响。进行了2组不同固结条件下的排水压缩试验,即等压固结条件和K0固结条件。采用数值建模方法,以 和 为硬化参数的双屈服面模型为框架,通过对试验数据空间的反演获得两种不同初始条件下的黏土弹塑性本构关系,并在整个应力场 可视化。将该数值模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验曲线及相同路径下的剑桥模型和Duncan-Chang模型关系曲线进行对比。结果表明,数值建模方法有较好的容错性,能很好地反映应力历史的影响,能模拟真实应力路径。     

隧道地震预报波场的有限元数值模拟

在勘探地球物理领域中,能快速、有效地数值模拟2D和3D的地震全波场,包括同时模拟P波、S波、面波多分量波场特征的软件并不是很多;但在结构力学领域中,已有多种成熟的多波多分量有限元数值模拟大型商用软件用于求解弹性本构方程,如ANSYS,PLAXIS等。从方程结构来看,弹性本构方程与完全弹性波动方程相比,只多一项对时间的一阶微分项--阻尼项。因此,调整合理的介质参数--Rayleigh系数,令阻尼项近似为0,弹性本构方程就蜕化为完全弹性波动方程。隧道地震波场是在岩体中传播,具有弹性参数较好、无常规地震勘探中覆盖层等低速带干扰等的优点,采用ANSYS软件对隧道地震波场进行数值模拟,研究了频散、阻尼与吸收边界等数值模拟的相关技术。针对介质吸收,比较了数值模拟中有无阻尼的时间记录和波场快照,对隧道地震预报来说,将阻尼系数设定为0是一种合理的假设;比较了实例中不同网格长度与频散的关系,当网格长度小于波长的1/π倍时,才能消除频散;通过由波方程的推导,引入了黏弹性边界条件,通过实例计算证明它可以有效地吸收边界反射;最后对隧道地震预报进行了实例计算,算例表明采用ANSYS软件可以有效地模拟隧道复杂地质条件下全波场的激发传播过程。     

基于改进三棱柱模型的复杂地质体3D建模方法

建模方法是三维地质模型及其可视化研究的核心内容。针对连续体终止、错断位移等复杂地质体3D地质建摸的需要，本文对现有的三棱柱数据模型进行了改进，构建了完整的数据结构及其初步的拓扑关系，提出了基于改进三棱柱模型的连续体和不连续体的建摸算法，使其在处理地层尖灭、断层等复杂地质问题时更为灵活、适应面更广。     

隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用

针对直流电阻率法超前探测研究中理论研究落后于工程实践的现状和探查效果较差的问题,对隧道直流电阻率法超前探测进行了系统的正演研究。首先,利用有限单元法数值手段对含水断层等多种典型含水构造的超前探测进行了正演,得到了典型含水构造超前探测的异常响应特征,提出了干扰识别与去除这一关键技术,形成了掌子面前方有用信息提取的有效途径,为隧道含水构造的超前探测奠定了理论基础。其次,研制了隧道含水构造超前探测物理模型试验装置和相似材料并开展了物理模型试验,在实验室尺度下对直流电阻率法超前探测这一新型测量方式进行了有益的探索,验证了该方法用于含水构造探测的有效性。最后,结合实际工程进行了超前地质预报实践,实现了对含水构造的定性判断。应用效果表明,直流电阻率法超前探测研究为现场应用提供了指导和参考,并为含水构造的三维反演成像与定位奠定了基础。     

Extension of numerical manifold method for coupled fluid flow and fracturing problems

The present study extends the numerical manifold method to include the hydro‐mechanical model to investigate the effect of water flow in fractures on the stability of rock structures, particularly slopes. The proposed flow model is verified by a simple 2‐D flow problem in a homogeneous aquifer. Combining the water flow model with the earlier developed fracture evolution technique, the entire failure process of the rock slope due to a heavy rain is simulated. The results illustrate that the developed numerical manifold method can not only determine the trigger factor of the crack initiation but also model the failure processes related to crack initiation, propagation, block formation, detachment and sliding due to the water effect successfully. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.