岩土工程数值计算中的无网格方法及其全自动布点技术

自然单元法采用无网格的思想全域构造插值函数,它的求解精度高,计算时间少,可准确地施加边界条件,兼具有无网格法和有限单元法的优点和特点,是一种理想的用于岩土及地下工程分析计算的数值方法。文中简要地介绍了自然单元法的基本理论,并针对岩土及地下工程问题特点,给出了一种无网格离散点的全自动布置方法。     

裂纹扩展过程的动态仿真技术

岩石断裂力学在岩土工程领域应用越来越广泛,其数值模拟技术是研究的主要方向之一,也是制约断裂力学发展的瓶颈。基于扩展有限元思想,依托ABAQUS用户子单元二次开发技术,引入Heaviside函数模拟不连续位移场,采用裂尖 逼近函数模拟裂尖位移场,通过J积分求解裂尖的应力强度因子（SIF）,最后采用最大周向应力准则,预测裂纹扩展方向,实现了裂纹动态演化过程的扩展有限元数值模拟。通过3个经典断裂力学模型,对比了计算值与理论值,验证了所开发程序的适用性和有效性     

门架式双排抗滑桩的弹塑性模型与计算分析

门架式双排抗滑桩的计算模型大部分将桩排间岩土体视为弹性材料,而岩土体为弹塑性材料,使得抗滑桩内力、位移计算结果与实际情况相差较大。假设桩排间岩土体为弹塑性材料,提出一种弹塑性计算模型,该模型将桩排间岩土体看作线弹性单元和塑性单元的组合,根据结构力学知识、土的本构关系和数值分析方法建立一种计算前后排抗滑桩内力的计算方法。首先,由已知的桩顶位移,并结合结构力学位移法求出桩间土总应力。根据Lade-Duncan模型导出这两个单元的基本参数,然后,结合数值分析方法计算出抗滑桩的内力,最后,结合工程实例,运用ANSYS有限元软件进行计算分析,得出门架式双排抗滑桩的内力图。对比监测数据和弹性模型计算结果表明,弹塑性模型的计算结果比弹性模型更加接近监测值。     

地下工程渗流场有限元模拟研究

在水电、石油、交通等部门的地下工程中,经常会遇到地下水的渗流问题,如果处理不当,可能诱发应力恶化而影响结构稳定。本文以非饱和介质的渗流模型为基础,实现了地下洞室开挖过程中的非稳定渗流场解析。
按分期施工方案,在保持渗流场变化连续性的前提下,对各施工阶段进行了准稳定渗流分析,并在此基础上建立了地下工程非稳定渗流数值模型。其中,对于洞室系统,基于水量平衡原理,采用了子结构模型;对于防渗帷幕,采用了隔水层模型;对于排水井列,采用了杆单元模型。
根据上述模型,采用有限差分法作为数值模拟方法,编写了地下工程非稳定渗流场分析的有限元程序,实现了复杂渗流区域的渗流场的动态模拟。工程实例计算分析表明,用该模型计算的结果是合理的。      

岩土材料塑性损伤模型及拱坝的变形局部化分析

常规的弹塑性模型难以模拟材料破坏时由于内部损伤累积引起的变形局部化带形成过程。将岩土材料抽象为含有孔洞的球形体胞单元的集合体,采用一个标量--孔洞体积百分比来刻划单元的损伤程度,基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料的塑性损伤模型。将该模型通过用户子程序嵌入到大型有限元商业软件MRAC中,研究岩土材料的局部化剪切带形成过程。采用该模型,成功地对平面应力条件下岩土材料单轴受压和单轴受拉试件的局部化破坏分别进行了数值模拟。采用该模型,对拱坝在超水载作用下的变形局部化进行了研究,数值计算结果表明,上游坝踵处最先发生变形局部化现象。     

基于随机介质理论的采水地面变形时空分布

采用随机介质理论计算规模采水引起的地面下沉和水平位移。分析了采水引起的地面位移机制,采用有效应力原理推导微单元体的沉降;利用非稳定流理论Theis模型计算单井定流量采水时平面径向流引起的降深;利用现场观测数据,通过反分析法确定模型参数;由于模型的边界动态变化,故分时段采用数学近似法和变边界数值逼近法处理。在此基础上建立单元盆地在降落漏斗区域的时空分布积分方程,引入柱坐标系进行解答。工程实例分析表明,随机介质理论适用于计算采水引起的地面变形;结合非稳定流理论和数值计算方法能较好地预测地面随时间的变形规律。     

非连续变形分析中块体大转动问题研究

原有非连续变形分析（DDA）采用一阶近似后的位移增量表达式更新块体构形,推导相关子矩阵,且对不同时步计算出的应变增量直接叠加,当模拟的块体发生大转动时往往会产生较大误差。为考虑块体转动与变形的耦合作用,引入先变形、后转动的块体位移增量表达式。重新推导了惯性力子矩阵,将块体转动时的离心力与科氏力加到荷载矩阵中。计算时对应变分量及其相关变量进行坐标变换与修正,并采用新引入的位移增量表达式计算块体顶点位移,进行后接触修正与更新块体构形。数值算例表明,改进后的程序能够消除转动带来的误差,自动考虑了块体转动时离心力和科氏力引起的变形,应变计算精度更高。改进方法克服了块体体积自由膨胀、应变场畸变等问题,给出了合理的块体应变。     

隔离非线性平面应变单元模型及其在Drucker-Prager模型中的应用

提出了一种基于隔离非线性理论的平面应变单元分析模型。对于线性的四边形等参单元,采用2×2个高斯积分点作为单元的非线性应变插值点。考虑到平面应变单元面外无应变分量存在,故仅在面内的3个方向建立非线性应变场以及相应的控制方程。采用Woodbury公式与组合近似法联合求解控制方程,使得整个非线性分析过程仅为多次的初始弹性刚度矩阵回代计算以及稀疏矩阵与向量的乘积,极大地提高了控制方程的求解效率。基于时间复杂度的计算效率分析表明：本文算法的计算效率相对传统变刚度法显著提高,且相对于精确的Woodbury公式则大大提高了非线性自由度的临界比例。将Drucker- Prager准则的转移应力解析解法用于典型平面应变模型的非线性分析,数值算例验证了平面应变单元模型的正确性以及算法的高效性,为平面应变类型的非线性分析提供了一种新思路。     

隔离非线性平面应变单元模型及其在Drucker-Prager模型中的应用

提出了一种基于隔离非线性理论的平面应变单元分析模型。对于线性的四边形等参单元,采用2×2个高斯积分点作为单元的非线性应变插值点。考虑到平面应变单元面外无应变分量存在,故仅在面内的3个方向建立非线性应变场以及相应的控制方程。采用Woodbury公式与组合近似法联合求解控制方程,使得整个非线性分析过程仅为多次的初始弹性刚度矩阵回代计算以及稀疏矩阵与向量的乘积,极大地提高了控制方程的求解效率。基于时间复杂度的计算效率分析表明:所提算法的计算效率相对传统变刚度法显著提高,且相对于精确的Woodbury公式,则大大提高了非线性自由度的临界比例。将Drucker-Prager准则的转移应力解析解法用于典型平面应变模型的非线性分析,数值算例验证了平面应变单元模型的正确性以及算法的高效性,为平面应变类型的非线性分析提供了一种新思路。     

一种新的节理裂隙岩体弹塑性模型

提出一种节理裂隙岩体弹塑性模型,将结构划分为块体单元和缝单元,其中缝单元可以是实际节理裂隙,也可以是人为缝单元。以块体单元形心的刚体位移和块体的平均应变作为基本未知量。该模型能充分考虑节理裂隙材料和块体材料的本构关系,计算量不大,是一种位移不协调单元。该模型特别适合节理裂隙岩体的数值分析。     

岩土工程中的杂交边界点方法

改进了正则化的杂交边界点方法,提出了岩土工程中一种新的数值方法。该方法将基本解的源点布在边界上,避免了自由参数的选取,将修正变分原理同移动最小二乘法结合起来,不但有边界元降维的优点,而且还是一种真正的无网格方法,输入数据只是求解域上离散分布的点,后处理十分简便。同时它适合于处理岩土工程的无限域问题。数值算例表明,它是一种计算精度很高的数值方法,适合于岩土工程中的若干问题。     

ELASTIC ANALYSIS OF BURIED STRUCTURES SUBJECT TO THREE-DIMENSIONAL SURFACE LOADING

A method is presented which may be used to compute the displacements, strains and moments (both in-plane and transverse) in buried structures such as pipelines and culverts subjected to longitudinal bending. This type of bending can occur if a surface loading such as a vehicular loading or an embankment loading is applied to the soil above the pipe or culvert. Fourier transforms are used to reduce the three-dimensional problem to one involving only two spatial directions, thereby reducing the data preparation and computation time. Conventional finite element analysis is used to approximate the field quantities in the transformed two-dimensional plane. Two Fourier integral element types have been developed which have many applications in geotechnical engineering.     

六面体覆盖的高阶数值流形方法的探讨

采用高阶近似位移覆盖函数,基于六面体数学覆盖网格建立了三维数值流形方法分析格式,给出了相应的子矩阵。利用MATLAB编制了与之对应的计算程序,对简单的地下洞室模型进行了计算,并将计算结果与其他数值分析方法结果进行了比较,证明了分析格式及相应程序的正确性和有效性。结果表明, 当数值流形方法的覆盖函数推广到高阶情况时,其求解精度会有相应的提高。最后,对该方法在隧道及地下工程的应用前景作了展望。     

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。     

Integration of Information Technology into Geotechnical Engineering Practice: Concept and Development

Information Technology (IT) has been extensively used to predict, visualize, and analyze physical parameters in order to expedite routine geotechnical design procedures. This paper presents an example of the combined technique of IT and numerical analysis for routine geotechnical design projects. The proposed approach involves the development of ANN(s) using a calibrated finite element model(s) for use as a prediction tool and implementation of the developed ANN(s) into a GIS platform for visualization and analysis of spatial distribution of predicted results. A novel feature of the proposed approach is an ability to expedite a routine geotechnical design process that otherwise requires significant time and effort in performing numerical analyses for different design scenarios. A knowledge-based underground excavation design system that utilizes artificial neural networks (ANNs) as prediction tools is also introduced. Practical implications of the use of IT in geotechnical design are discussed in great detail.     

Applications of Particle Swarm Optimization in Geotechnical Engineering: A Comprehensive Review

Particle swarm optimization (PSO) is an evolutionary computation approach to solve nonlinear global optimization problems. The PSO idea was made based on simulation of a simplified social system, the graceful but unpredictable choreography of birds flock. This system is initialized with a population of random solutions that are updated during iterations. Over the last few years, PSO has been extensively applied in various geotechnical engineering aspects such as slope stability analysis, pile and foundation engineering, rock and soil mechanics, and tunneling and underground space design. A review on the literature shows that PSO has utilized more widely in geotechnical engineering compared with other civil engineering disciplines. This is due to comprehensive uncertainty and complexity of problems in geotechnical engineering which can be solved by using the PSO abilities in solving the complex and multi-dimensional problems. This paper provides a comprehensive review on the applicability, advantages and limitation of PSO in different disciplines of geotechnical engineering to provide an insight to an alternative and superior optimization method compared with the conventional optimization techniques for geotechnical engineers.     

Validation of RMR-based support design using roof bolts by numerical modeling for underground coal mine of Monnet Ispat, Raigarh, India—a case study

In underground coal mines, a lot of major fatalities have occurred due to roof fall in the newly developed faces or galleries of coal mines during the development or production of coal. There are around 500 underground coalmines in India, and continuous production or development or exploitation of coal depends upon the stability of the gateways developed in the form of galleries, which are supported in such a manner so that they can last up to that period, unless it has been finally extracted out with an operation called depillaring. A system of support design with roof bolting, resin bolting, and cable bolting for the aforesaid galleries is presently being decided on the basis of rock mass rating (RMR). The same support design has been attempted with the use of 3D numerical modeling technique—a tool nowadays very extensively used in geotechnical engineering to predict the stability of structures to be built or for the structures which are built against nature, i.e., underground mines. In this study, the support design system on the basis of RMR has also been validated with a numerical modeling technique for three locations of Monnet Ispat underground coalmine. After the study, it has been found that the numerical modeling technique can give better design of support system in underground coal mines in comparison with RMR-based support design system, and it will also play a major role in reducing the total cost incurred in coal exploitation from the underground coal mines.     

地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算

根据地下工程锚固支护原理,采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法,对复杂的地下泄洪隧洞的开挖和支护进行了分析计算。该方法不仅能够有效地反映锚杆的长度、密度、倾角对洞室开挖的影响,而且能够较好地模拟钢拱架和锚杆的时间施加效应。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的,所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响,能够有效地模拟各种支护方案,加快计算速度,合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。通过对构皮滩泄洪洞施工开挖和锚固支护的模拟计算,论证了施工开挖的稳定性和锚杆、喷层、钢拱架的支护作用,提出了洞室结构的加固措施,为工程施工开挖提供了有效的设计依据。     

在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型

美国HKS公司开发的软件产品ABAQUS是目前世界上最强大的非线性有限元分析工具之一。该软件包括了众多材料本构模型,但尚缺少国内外土工数值分析中广泛采用的Duncan-Chang本构模型。这一缺憾影响了ABAQUS软件在土工分析中的应用范围。本文旨在介绍ABAQUS中开发Duncan-Chang材料本构模型实现方法,给出了开发过程的概要,完成了两个典型常规三轴压缩模型问题数值测试。结果表明：在ABAQUS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂土工应力应变的有限元数值分析问题,同时,具有计算速度快、计算精度高和前后处理快捷方便的优点,极大地降低了土工分析程序开发的难度,并减少了维护工作量。     

一种解岩土工程变形体-刚体接触问题的有限元法

大多数的岩土工程问题都会涉及到岩土体-结构之间的相互作用,它们之间界面的合理模拟对计算结果有重要的影响。目前常用的Goodman节理单元、Desai薄层单元等虽然简单好用,但也存在着明显的缺陷。相比之下,作为接触问题计算,可更为合理地模拟接触面的力学行为。针对变形体-刚体这种特殊的接触问题,应用变形体的虚功原理建立了相应的虚功方程,在此基础上得出有限元计算公式,并建立了弹塑性接触问题有限元计算的实现方法。通过对刚性条形基础基底压力分布和刚性挡墙土压力分布等算例的计算,验证了该法的正确性和求解工程问题的有效性。