面向对象有限元方法在岩土工程中的应用

介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点,提出了这种方法在岩土工程中的应用实例,并设计了基于Windows 95/98平台的有限无软件。利用面向对象的方法来研究有限元,是对有限元方法新的有益尝试。     

基于遗传算法的岩土力学参数反演及其在 ABAQUS中的实现

岩土工程优化反分析是一个典型的复杂非线性函数优化问题,采用全局优化算法是解决这个问题的理想途径。结合ABAQUS有限元软件,提出遗传算法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到遗传算法程序中,以测点的实测值与计算值建立误差函数,编制了遗传算法反演分析程序。并给出应用实例验证了该法的有效性,表明该方法可应用于岩土工程中的反演分析工作。     

PSO-LSSVM模型在位移反分析中的应用

提出了一种基于均匀设计原理、最小二乘支持向量机(LSSVM)和粒子群优化算法(PSO)的快速位移反分析方法。该方法利用均匀设计和有限差分法获得学习样本,再用粒子群算法搜索最优的最小二乘支持向量机模型参数。并用最小二乘支持向量机回归模型建立反演参数与监测点位移值之间的非线性映射关系,最后用粒子群算法从全局空间上搜索与实测位移最吻合的反演参数。该反演模型利用了粒子群算法高效简单、均匀设计构造高质量小样本以及最小二乘支持向量机的小样本、泛化性能好的特点。将该模型应用于龙滩水电站左岸地下厂房区岩体地应力场的反演分析中,计算结果与实测的位移值和地应力值均吻合较好,说明了该模型在岩土工程快速反演分析中具有良好的应用价值。     

基于粒子群算法与混合罚函数法的有限元优化反演模型及应用

岩土工程优化反分析是一个典型的复杂非线性函数优化问题,采用全局优化算法是解决这个问题的理想途径。针对常规反演方法应用于岩土工程参数反演时搜索效率低的缺点,结合粒子群算法和遗传算法的特点,充分考虑二者的互补性,提出一种效率较高的全局优化算法,以测点的实测值与计算值建立一种新的评价函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,用混合罚函数法将约束问题变为无约束问题,构建了一种新的目标函数,将有限元程序ABAQUS作为一个模块嵌入到优化算法程序中,编制了有限元优化反演分析程序。并给出了应用实例验证了该法的有效性和实用性,是一种可行的参数反演方法,可应用于实际工程中复杂岩土介质初始应力场反演、渗流场以及位移反分析     

岩土工程CAD系统建模技术的研究

论述了在开发CAD系统中引入面向对象的设计思想的优点,结合开发岩土工程CAD系统实例,对其中的关键技术--系统建模进行了分析,并就建立一般的系统模型技术进行了探讨。同时,给出了必要的代码,提供给相关程序开发者借鉴。     

弹性地基接缝板模量反演和地基脱空判定

用有限单元法建立了可考虑接缝和地基脱空的弹性地基板位移计算模型。并根据系统识别原理，建立了接缝地基板弹性模量的反演分析方法。最终提出了利用FWD实测板中弯沉盆数据反演面板与地基弹性模量、根据板角(板边)弯沉值判定地基脱空面积的迭代方法。     

面向对象方法在Biot固结有限元程序中的应用

面向对象程序设计方法应用于有限元程序编制带来了相当大的优越性。但迄今为止，这种方法在岩土工程中的应用实例很少。至于用面向对象方法进行土力学中常见的Biot固结有限元分析软件的开发，尚未见报道。现将面向对象有限元方法引入Biot固结有限元程序编制中，用C＋＋语言编制中一个Biot固结有限元程序实例。和结构化程序设计方法相比较，采用面向对象方法进行Biot固结有限元程序的编制，使程序的可维护性、可再生性、可扩充性和程序开发的效率都得到了很大的提高。指出将面向对象程序设计方法引入了Biot固结有限元程序的编制等岩土工程的数值计算领域，是今后的发展方向。     

Hoek-Brown准则岩体力学参数非线性位移反分析

Hoek-Brown准则综合考虑岩体结构、岩块强度等因素,能很好地反映岩体的非线性破坏,更符合工程实际,但其参数选取的主观性及不确定性严重影响其应用效果。通过分析敏感性分析结果及Hoek-Brown准则的圆形硐室围岩位移表达式,借助FLAC~(3D)数值模拟和回归性分析建立了基于Hoek-Brown准则的非线性回归模型,结合差分进化算法提出了合理的位移反分析方法及步骤,并成功应用于青岛地铁工程。结果表明,所建立的非线性回归模型能较好地反映隧道位移与地质强度指标GSI、扰动系数D及泊松比μ的关系,所提出的位移反分析方法能较准确地反演获得GSI、D、μ值,由所得反演参数值计算的位移与现场监测位移的相对误差较小,具有良好的一致性,验证了该方法的合理性、准确性,为准确获取Hoek-Brown准则参数提供了新方法。     

油藏多相渗流的面向对象有限元程序设计

近年来,面向对象的编程技术越来越受到人们的重视,并用来解决和模拟各种物理问题和工程问题,特别是在有限元方法编程和模拟中得到了广泛地应用。介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点。在此基础上提出了面向对象有限元方法在油藏多相渗流中的应用实例,并按照面向对象的程序设计方法,基于Windows XP平台采用Visual C++.NET语言,建立了有关描述多相渗流的有限元模型的类,给出了类的描述和它的实现方法。建立的相关类及其实现方法主要包括处理矩阵计算的类、节点类、单元类、材料类、形函数类等。据此编制了油藏多相渗流的有限元分析的数值计算程序,并给出了一个数值实例。     

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数 、 ,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F =1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性     

有限单元法分析边坡稳定的若干问题研究

系统介绍了有限单元法分析边坡稳定的基本原理,对安全指标与判断标准两个重要方面进行了详细论述,并采用面向对象技术编制了相应的可视化分析软件AFEAS。结合一个边坡稳定工程实例,对比了有限单元法和刚体极限平衡法的分析结果。分析结果证明了所给的安全指标与判断标准是可行的,并表明了有限单元法分析边坡稳定的优越性。     

地下洞室岩体力学参数反演软件系统开发与应用

岩体力学参数对地下洞室的施工和设计是极其重要的,通过位移反分析确定岩体参数的应用研究很多。为了提高参数反演的效率,采用均匀设计理论设计不同的反演参数组合,用有限元计算组建的样本集训练神经网络,根据洞室开挖过程中实测位移反演地下洞室岩体力学参数。基于面向对象、自适应、可视化三大关键技术,开发了地下洞室岩体力学参数反演有限元软件系统BAFES。该软件可实现地下洞室力学参数反演分析、开挖预报过程的可视化,将地下洞室岩体力学参数反演模式由“数据－有限元分析－数据”转变为“图形－有限元分析－图形”,结合现场监控技术和工程稳定分析,能及时地指导工程设计和施工。以某水电站地下厂房洞室群岩体力学参数反演为例,说明了该软件的实用性。     

基于权重反分析和功效系数法的地下储油洞库围岩分类模型及应用研究

选取岩石抗压强度、完整系数、结构面状态、地下水发育情况、洞轴线与软弱结构面的夹角作为地下储油库工程围岩稳定性的评价因素,并采用权重反分析的方法确定各指标的权重,建立了基于权重反分析方法和功效系数法的洞库围岩稳定性评价模型。最后,将建立的围岩分类模型应用于实际工程,通过与实际开挖结果对比表明,模型判别结果与实际开挖揭露围岩类别相吻合,证明了该方法用于地下储油洞库围岩分类的合理性和有效性,为地下储油洞库围岩稳定性判别提供了一种新思路。     

Object-oriented modeling for three-dimensional multi-block systems

This paper presents an object-oriented computer model for three-dimensional multi-block systems based on the object-oriented programming (OOP) technique. The intricate structures of rock systems are deciphered by implementing an object-oriented analysis (OOA), and a universal class library is developed using an object-oriented design (OOD). The geometries of a multi-block system are created by cutting a computational domain into element-blocks and then combining the element-blocks into complex-blocks (convex or concave). The established multi-block system model would be available for various discontinuum-based methods. A computer program, BLKLAB, is developed based on the proposed method, and a case study is performed on a large-scale, underground, water-tight oil depot.     

基于权重反分析方法的加权距离判别法及应用

距离判别分析法在应用过程中常将各评价指标的重要性视为一致,实际上各指标重要性是不同的,故需对各指标进行加权处理。权重的合理取值对最终的评判结果有着很大的影响,目前尽管确定权重的方法有很多,但都有其不足之处。鉴于此,在马氏距离的基础上,推导了加权马氏距离的求解公式,并采用一对多的分类方法建立了多总体加权马氏距离判别准则。在确定各指标权重时采用了基于优化理论权重反分析的新思路,把直接给权重问题转化为通过实际工程样本反求各影响因素权重问题,该方法不需先知经验,求解过程完全由实际样本驱动,具有很强的可操作性。将改进后的加权距离判别分析方法应用于实际工程中的围岩分类问题,结果表明,该方法的判别结果是可靠的。距离加权的方法完善了距离判别分析法理论,权重反分析方法是一种通用方法,可用于任何求解权重的问题,为权重的求解提供了一种新思路。     

基于压水试验的地层渗流场反分析

地下工程建设过程中,地下水分布以及岩体渗透参数确定至关重要。基于对解决欠定反分析问题的目标函数分析,通过利用适应度函数、地质统计原理和变差函数等优化,得到了解决地层渗透系数一类水文地质问题的罚函数,为解决欠定的反分析问题提供了一个优化评判准则,并结合粒子群算法建立优化反分析数学模型;提出利用压水试验钻孔水头变化反分析得到地层渗透系数的新方法。对南京地铁上元门车站,进行现场压水试验得到钻孔水头高度,利用经过罚函数优化的反分析数值计算获得地层渗透系数,对压水试验区域的电阻率跨孔CT探测验证了该方法区域上的正确性,该区域的钻孔原位渗透系数测试验证了该方法在数值上的准确性。结果表明,经过罚函数优化的反分析计算的准确率达到90%,说明该方法有助于得到全面的地层水文地质信息,对后续的治理具有指导作用,希望能对类似工程有一定的借鉴意义。     

地下工程围岩位移反分析的改进模拟退火算法

本文针对地下工程围岩位移反分析问题的目标函数存在多个局部极值的特点，在对模拟退火算法进程中控制参数，即初始温度、每一温度下的状态选取次数和退火策略的确定方法加以改进的基础上．引进有限元分析手段和自适应的思想，建立了基于改进模拟退火算法的位移反分析方法，并开发了相应的分析程序。工程实践分析表明：本文理论计算结果与实测结果吻合良好，该方法较一般模拟退火算法具有明显的优越性。     

The effect of the intermediate principal stress on the ultimate bearing capacity of a foundation on rock masses

In this paper, the strength envelope of rock masses is considered to follow a non-linear unified strength criterion that considers the effect of the intermediate principal stress. A unified slip line method for resolving the differential equation system that governs the stress field is established to research the ultimate bearing capacity, which can be adapted for a wide variety of rock masses. Through this new theory, a suitable characteristic method for rock masses of interest can be obtained, and the relationships between different types of characteristic methods are revealed. The characteristic methods are based on different strength criteria, such as the Hoek–Brown criterion, modified Hoek–Brown criterion, or non-linear twin-shear strength criterion; each of these criteria is a special case of the proposed theory. Moreover, a series of new characteristic methods can be easily derived from it. In terms of the proposed theory, the ultimate bearing capacity with the Hoek–Brown criterion forms the lower bound; the ultimate bearing capacity with a non-linear twin-shear strength criterion forms the upper bound; and a series of the ultimate bearing capacities ranging between these two bounds may be derived from a non-linear unified strength criterion. A comparison is made between existing numerical analyses and non-linear finite element analysis solutions with the Drucker–Prager strength criterion. It is shown that the present results are in good agreement with existing numerical analyses and non-linear finite element analysis solutions with the Drucker–Prager strength criterion.     

基于自适应退火算法的非线性位移反分析方法研究

根据地下工程非线性位移反分析的特点,建立起基于地下洞室收敛位移量测结果的反分析模型;针对一般退火演化算法优化效率低的问题,综合运用遗传算法、模拟退火算法和非线性有限元分析手段,并引进自适应的思想,建立了基于自适应退火演化算法的地下工程非线性位移反分析的新方法和理论,在探讨其应用方法与实施过程的基础上,开发了相应的计算分析程序。模拟分析表明,理论计算结果与模拟结果吻合良好,该方法可以满足工程要求。