基于DDA方法的膨胀土边坡稳定性研究

非连续变形分析方法（DDA）是近年来发展起来的数值计算方法,其以新颖的思想、先进的数值技术,得到了学术界的认可和广泛关注。针对宁明高速公路膨胀土路堑边坡破坏的特点,建立地质模型和计算模型,编制了二维DDA程序,对DDA理论模型进行了推广和发展,将非饱和土的本构模型引入程序。对非连续变形分析方法中的控制参数设置进行了探讨,应用DDA程序模拟了膨胀土边坡破坏特征。程序计算结果与工程实际情况比较吻合,验证了程序的合理性和有效性,分析成果可为设计、施工提供参考依据。     

非连续变形分析（DDA）线性方程组的高效求解算法

非连续变形分析(DDA)方法对大规模工程问题的数值模拟耗时太长,其中线性方程组求解耗时可占总计算时间的70%以上,因此,高效的线性方程组解法是重要研究课题。首先,阐述了适用于DDA方法的基于块的行压缩法和基于试验-误差迭代格式的非0位置记录;然后,针对DDA的子矩阵技术,将块雅可比迭代法 (BJ)、预处理的块共轭梯度法 (PCG,包括Jacobi-PCG、SSOR-PCG) 引入DDA方法,重点研究了线性方程组求解过程中的关键运算;最后,通过两个洞室开挖算例,分析了各线性方程组求解算法在DDA中的计算效率。研究表明：与迭代法相比,直解法无法满足大规模工程计算需要;BJ迭代法与块超松弛迭代法(BSOR)的效率差别不大,但明显不如PCG迭代法。因此,建议采用PCG迭代法求解DDA线性方程组,特别是SSOR-PCG值得推广;如果开展并行计算研究,Jacobi-PCG是较好的选择,当刚度矩阵惯性优势明显时,BJ迭代法同样有效。     

基于OpenMP的非连续变形分析并行计算方法

非连续变形分析（DDA）方法严格满足平衡要求和能量守恒,具有完全的运动学及数值可靠性,但对大规模岩土工程问题的数值模拟耗时太长,尤其是线性方程组求解,并行计算可以很好地解决该问题。首先基于DDA方法的基本理论,阐述了适用于DDA方法中的基于块的行压缩法和基于“试验-误差”迭代格式的非零位置记录;其次,引入块雅可比迭代法并行求解DDA方法的线性方程组,并改进了相应的非零存储方法;最后,基于OpenMP实现了DDA线性方程组求解并行计算,并将其应用于地下洞室群的破坏过程分析,以加速比为并行效率的指标评价,结果表明,该并行计算策略可以极大提高DDA的计算效率,而且适合各种规模的问题。     

适用于饱和砂土循环动力分析边界面塑性模型的显式积分算法

基于适用于饱和砂土循环动力分析的边界面模型,利用修正广义Mises方法将其推广至三维应力空间中,引入与状态相关的剪胀函数,采用历史最大加载面硬化准则,以反映饱和砂土排水条件下刚度变化、剪胀剪缩等特性。结合子增量步显式积分算法的思想,建立了适用于饱和砂土循环动力分析边界面模型的显式积分算法流程。借助有限元软件子程序接口,将该算法流程开发到有限元软件中,通过建立土体单元数值模型,对Toyoura砂在单调荷载和循环荷载下的三轴试验工况进行模拟。结果表明,利用子增量步显式积分算法对模型进行积分,能够准确有效地模拟砂土的应力-应变曲线、以及砂土在单调和循环荷载作用下均展现的剪胀剪缩现象,验证了显式积分算法的有效性。通过设置不同的增量步长,验证了子增量步显式积分算法对于较小应变增量步的高度稳定性和收敛性。     

基于传递矩阵的两相介质波动问题时域显式有限元方法稳定性研究

饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法具有条件稳定性。这类方法的稳定性可通过方法中动力反应时域递推计算格式传递矩阵传递因子的数值进行评估,传递因子的数值越小,方法的稳定性越好。针对饱和两相介质波动问题的两种时域显式有限元方法,基于其动力反应时域递推计算格式的传递矩阵的性质,在两相介质体系物理参数取值不同的条件下,对两种方法稳定性性质的差异进行了对比研究。结果表明：渗透系数的取值对两种时域显式有限元方法稳定性性质的差异具有较为显著的影响。当渗透系数取值较大时,两种方法的稳定性性质没有明显的差异;当渗透系数的取值较小时,两种方法的稳定性性质将表现出明显的差异,方法1的稳定性要优于方法2。     

基于子区间法的隐式功能函数非概率可靠性方法研究

从统计资料不足的角度出发,研究一种岩土工程隐式功能函数非概率可靠性方法,作为概率可靠性方法的有益补充。首先利用系列区间扩展函数降低区间相关性,建立基于子区间法的隐式函数区间解的迭代程序;然后采用试验设计的方法,从全面设计的角度建立统计优化模型搜索最优解,达到一个目标区间内获得一个简单计算方案的目的;最后通过对功能函数中应力函数的区间解设置置信区间,形成有限计算代价下的偏向于绝对安全的隐式功能函数非概率可靠性模型。通过岩土工程中最小支护阻力函数演示该方法的具体操作程序。工程算例结果表明,由此得到的最小支护阻力上限值与蒙特卡洛模拟法最大值的相对误差为0.83%,偏向于绝对安全。     

基于显式统计原理的地质灾害区域预警方法初步研究

区域预警是提高防灾减灾意识、有效减轻地质灾害造成损失的重要手段。地质灾害显式统计预警理论考虑了地质环境变化与降雨参数等多因素的耦合作用,克服了传统单一临界雨量判据方法的局限。笔者应用地质灾害显式统计预警的基本原理,以中国的东南区为例开展应用研究。选取岩土体类型、地形起伏等12个基础地质环境因素.通过确定性系数模型(CF)综合分析了地质灾害分布与地质环境基础因素的关系.选取地质灾害"潜势度"作为地质环境优劣的指标,并进行了定量计算。选取当日雨量和一个降雨过程的前期累计雨量作为降雨激发因素的指标.采用多元回归的统计分析方法,分析了地质环境因素、降雨激发因素的耦合作用与地质灾害发育情况之间的关系.建立了显式统计的地质灾害预警预报模型。以2006年5月18日台风"珍珠"登陆期间的实况预警情况对模型进行了应用校验。验证了显式统计预警原理及模型方法的可行性和实用性。     

基于DDA方法一种流-固耦合模型的建立及裂隙体渗流场分析和应用

以非连续变形分析方法（DDA）为基础并采用稳态流体计算方法将二者结合进行裂隙岩体流-固耦合分析。利用DDA方法生成裂隙岩体模型,在此基础上采用矩阵搜索等方法形成新的裂隙水通网络模型。采用稳态迭代算法和立方定律求得裂隙水压力,并把裂隙水压力作为线载荷施加到块体边界,在DDA算法中每个迭代步完成后更新裂隙开度和水压值,与DDA算法结合研究裂隙水与块体之间相互作用关系。利用以上裂隙岩体流-固耦合计算方法研究了某水封油库开挖和运行过程洞室围岩流量和密封性,为该工程预测水封效果提供了有益的主要依据,也是国内首次采用DDA方法做大型工程的流-固耦合模型分析。     

基于镜像法的隧道地表沉降时间效应计算方法

随着国内各城市地下道路建设的不断发展,地下开挖引起周围结构损坏甚至塌陷的事故时有发生,因此,合理地预测地表沉降对于保护地面建（构）筑物具有重要意义。将地表沉降速度系数与三维镜像法相结合,建立了考虑时间效应的隧道地表沉降计算方法,并以深圳某地铁区间隧道为例,通过与现场监测数据进行对比分析,验证了该方法的合理性,并利用该方法进一步分析了隧道停止施工时地表横、纵向沉降随时间的变化规律,通过参数分析明确了地表沉降量与地表沉降速度的时间效应。研究结果表明：地表沉降量与地表纵向沉降最大斜率随停工时间的增加逐渐增大并最终趋于稳定;地表最大沉降速度随开挖速度与沉降速度系数的增大呈对数型函数增长,但地表最终沉降量受二者的影响较小;地表最终沉降量和地表最大沉降速度随地层损失量的增大而线性增大;地表最大沉降速度出现的时间与地层损失的大小无关。     

非连续变形分析方法中人为参数的影响

非连续变形分析方法(DDA) 自创立以来,已在分析不连续体的大变形、大位移的问题中显示了其优越性。但DDA方法需要人为设置一些控制参数,通过一个简单的滑块模型,分别采用不同的时步大小、不同的接触弹簧刚度、并比较相对误差,分析了人为设定的参数对DDA计算结果的影响,指出仅在合理的取值范围内,大时步和大的接触弹簧刚度才能产生较好的计算结果;同时对造成这种影响的原因做了一定的探讨,并建议了参数取值的上下限原则。     

一种改进步长自调的非连续变形分析法

非连续变形分析（DDA）是一种针对块体系统变形和位移求解的数值计算方法。引入Newmark方法于结构动力学微分方程中,考虑惯性力和阻尼力作用,改进时间步长自动调节,并实现DDA求解程序;比较研究Newmark方法中的线性加速法、常加速法和平均加速法在DDA程序中计算的收敛速度,讨论块体系统动力学计算过程中DDA方法对惯性力和阻尼力的添加和删除,并提出根据计算精度要求的误差控制实现方案。将改进的DDA方法模拟一个典型的煤与瓦斯突出过程,取得了满意的计算结果,该改进算法为DDA方法处理动力学问题提供新的途径     

非连续变形分析中时间步及弹簧刚度取值研究

非连续变形分析（DDA）是一种隐式求解的动力学计算方法,且采用在块体界面加减刚硬弹簧的方式来满足块体界面无张拉和无嵌入的接触准则,其中时间步长和弹簧刚度两个物理量的取值直接影响DDA的计算结果。基于对DDA时间步和弹簧刚度在程序运行过程中的调整策略和块体接触的简化力学概念模型,研究了惯性力在DDA收敛求解中的作用过程。采用数值模拟试验对自由落体和斜面单滑块模型在3种力学状态下的相关力学问题进行了数值模拟研究,通过对自由落体运动的模拟,研究了时间步长单一因素对计算结果的影响规律,并初步确定了时间步长的合理取值区间。在此基础上,采用斜面单滑块模型,研究了时间步长和弹簧刚度对计算结果的共同影响,确定了不同时间步长条件下弹簧刚度的合理取值区间。研究成果表明,合适的时间步长和弹簧刚度的取值组合构成一个单连通参数取值域,当时间步和弹簧刚度的取值组合位于此“域”范围内时,DDA的计算结果是合理的。     

Boundary Element based Discontinuous Deformation Analysis

A Boundary Element based Discontinuous Deformation Analysis (BE‐DDA) method is developed by implementing the improved dual reciprocity boundary element method into the open close iterations based DDA. This newly developed BE‐DDA is capable of simulating both the deformation and movement of blocks in a blocky system. Based on geometry updating, it adopts an incremental dynamic formulation taking into consideration initial stresses and dealing with external concentrated and contact forces conveniently. The boundaries of each block in the discrete blocky system are discretized with boundary elements while the domain of each block is divided into internal cells only for the integration of the domain integral of the initial stress term. The contact forces among blocks are treated as concentrated forces and the open–close iterations are applied to ensure the computational accuracy of block interactions. In the current method, an implicit time integration scheme is adopted for numerical stability. Three examples are used to show the effectiveness of the algorithm in simulating block movement, sliding, deformation and interaction of blocks. At last, block toppling and tunnel stability examples are conducted to demonstrate that the BE‐DDA is applicable for simulation of blocky systems. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

A coupled time integration algorithm for discontinuous deformation analysis using the numerical manifold method

To improve the computational efficiency of the numerical manifold method for discontinuous deformation simulations, a spatial-domain coupled explicit-implicit time integration algorithm is proposed. A subdomain partition algorithm based on a super manifold element is developed for the numerical manifold method to simulate dynamic motions of blocky rock mass. In different subdomains, explicit or implicit time integration method is employed respectively based on its contact and motion status. These subdomains interact through assembling the corresponding explicit or implicit time integration-based matrices of different rock blocks. The computational efficiency of the discontinuity system under dynamic loading is improved by partially diagonalizing the global matrices. Two verification examples of a sliding block along an inclined plane under a horizontal acceleration excitation and a multiblock system acted on by dynamic forces are studied to examine the accuracy of the proposed numerical method, respectively. A highly fractured rock mass situated on an inclined slope subjected to seismic excitations is then studied to show the computational efficiency of the developed algorithm. The simulated results are in good agreement with those from the versions using purely implicit or explicit time integration algorithm for the numerical manifold method. The computational efficiency is shown to be higher using the proposed algorithm, which demonstrates its potential for application in dynamic analysis of highly fractured rock masses.     

Boundary setting method for the seismic dynamic response analysis of engineering rock mass structures using the discontinuous deformation analysis method

Large deformations and discontinuous problems can be calculated using the discontinuous deformation analysis (DDA) method by solving time steps, and this method is suitable for simulating the seismic dynamic response of engineering rock mass structures. However, the boundary setting must be carefully analyzed. In this paper, four boundary settings for the DDA method are investigated. First, the contributions to the DDA equations for nonreflecting boundaries (including the viscous boundary and the viscoelastic boundary) are deduced based on the Newmark method. Second, a free‐field boundary is introduced in the DDA method with boundary grid generation and coupling calculation algorithms to accurately simulate external source wave motion, such as earthquakes. Third, seismic input boundary treatments are intensively examined, and the force input method is introduced based on nonreflecting boundaries. Finally, the static‐dynamic unified boundary is implemented to ensure consistent boundary transformation. The boundary setting method in the DDA method is discussed, and the suggested treatments are used to analyze the seismic dynamic response of underground caverns. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于振动台试验的加速度积分位移方法可靠性研究

土体应变变形是土工测试技术的重要难题之一,加速度积分位移是目前动荷载下原位监测和模型试验中认识土体剪应变响应的一种普遍方法,但缺乏验证与可靠性研究。设计砂质边坡?摇臂?质量块振动台模型试验,实测两地震荷载下多组工况的质量块加速度与位移响应时程,探讨了4种代表性方法求解动态、永久位移的可靠性及偏转影响。结果表明,动态位移求解采用高通滤波是一种可靠途径且受积分方式影响较小,各方法在动态位移工况中积分位移与实测相比,峰值平均误差小于等于25%;双拟法积分位移发生严重偏离,与函数形式和处理过程相关。永久位移求解采用高通滤波导致加速度低频成分缺失而无法得到永久位移;双拟法积分位移与实测相比吻合较好,两地震荷载中误差分别为7%和5%;偏转对动态位移求解可靠性影响较小,但对永久位移影响严重,双拟法呈现发散而失真。试验方法与结论,对认识加速度积分位移求取土体剪应变的可靠性和合理选取数据分析方法具有重要科学价值和指导意义。     

Transient seepage analysis in zoned anisotropic soils based on the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method, a semi‐analytical computational scheme primarily developed for dynamic stiffness of unbounded domains, is applied to the analysis of unsteady seepage flow problems. This method is based on the finite‐element technology and gains the advantages of the boundary element method as well. Only boundary of the domain is discretized, no fundamental solution is required and singularity problems can be modeled rigorously. Anisotropic and non‐homogeneous materials satisfying similarity are modeled with no additional efforts. In this study, firstly, formulation of the method for the transient seepage flow problems is derived followed by its solution procedures. The accuracy, simplicity and applicability of the method are demonstrated via four numerical examples of transient seepage flow – three of them are available in the literature. Homogenous, non‐homogenous, isotropic and anisotropic material properties are considered to show the versatility of the technique. Excellent agreement with the finite‐element method is observed. The method out‐performs the finite‐element method in modeling singularity points. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.