基于端锚黏结式锚杆静、动载试验的非均匀受力锚杆单元

为使锚杆支护工程的设计计算和数值模拟更加合理,对端锚黏结式锚杆进行了常规拉拔试验和动拉拔荷载试验,分析了静、动荷载下锚杆的受力特征并提出了力学计算模型。结合试验和力学模型计算结果,比选了多单元数2结点杆单元和少单元数高阶次杆单元的计算精度和计算量。试验结果表明,端锚黏结式锚杆在静荷载下轴向应力呈三角形分布,在动荷载下轴向应力呈负指数分布。受力分析表明,静荷载作用下黏锚力可视为均匀分布,动荷载作用下黏锚力可近似简化为三角形分布。对比试验和理论分析结果,高阶杆单元能简洁明了地反映静、动荷载下锚杆的非均匀受力情况,并能有效减少单元数目和结点数目,大大减少计算量,同时提高计算精度,相比多单元数2结点杆(索)单元优势明显。静、动载试验和理论成果为锚杆支护工程的设计计算和数值模拟提供了参考和依据。     

岩土工程分析中的非协调模型及其应用

针对岩土及地下工程结构的特点,基于修整后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理,转动场采用结点真实转角来插值。结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式,引入适用于任何四边形单元的非协调位移函数,建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型,给出了相关数值计算列式。四结点单元能通过分片检验,并易于与带转动自由度的梁单元相容,对若干算例及地下隧洞工程实例计算的数值结果表明,采用所建的计算模型,具有较高的计算精度,为岩土及地下工程结构计算提供了一种理想的数值分析方法。     

地下水模型的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法

讨论了求解地下水模型(水流模型和水质模型)的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法。从基本的随机变量入手,避免了过程中随机变量的增多问题,给出结点水头(浓度)的均值、方差和水头在某区间的概率计算方法;改进了矩阵求逆的效率,对输入随机变量较多、随机变量变异较大的非稳定地下水问题特别有效。同时选取二维承压地下水水流问题(有解析解)作为例子,进行了随机数值模拟实验。      

重力基点网的广义逆矩阵平差法

重力基点网平差计算通常采用的是波波夫多边形平差法,此法虽简便易懂,但欠严密.现介绍一种利用广义逆矩阵理论进行平差的方法,它是适合于电子计算机计算的一种方法.广义逆理论是矩阵理论在近廿年来最新成就之一,是研究现代控制理论、最优化理论、网络理论、数理统计等学科的重要工具.     

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

有限单元法模拟地下水流的水头反常现象——对流量计算的作用

地下水流数值模拟是定量研究地下水水量和水质的重要手段。为揭示有限单元法水头反常现象形成的原因,以三维非均质模型为例,刻画了水头反常现象。储量集中法(Lumped Mass方法)是有限单元法中储释水量计算的替代算法,可以改善水头反常现象。对结点控制区域的均衡性质进行了研究,分析了使用Lumped Mass方法时的水头反常现象,结果表明:结点控制区域的对流量计算受到该结点所在层及其相邻层水力坡度的影响;在抽水初始阶段,抽水井结点水头快速下降,导致相邻层中相邻结点控制区域的侧向流入量为正值,控制区域为储水过程,结点水头上升,表现出水头反常现象。因此,有限单元法中对流量的计算是引起水头反常现象的原因。     

地下水模型的NeumannM展开Monte—Carlo随机有限元法

讨论了求解地下水模型（不流模型和不质模型）的Ｎｅｕｍａｎｎ展开Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ随机有限元法，从基本的随机变量入手，避免了过程中随机变量的增多问题，出结点水头（浓度）的均值。方差和水产砂在某的概率计算方法；改进了矩阵求逆的效率，对输入随机变量较多，随机变量变异较大的晨稳定地下水问题特别有效。同时选取二承压地下不水流问题（有解析解）作为例子，进行了随机数值模拟实验。     

基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

针对自然界中孔隙水文地质层空间分布的不连续性与厚度分布的不均匀性,研究基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散实现的技术路线,提出基于GIS的孔隙水文地质层不规则六面体元的三维空间离散方法.该法不仅能最大限度地保证不规则六面体元中水文地质层类型的一元性,而且可充分利用GIS的空间分析与数据的自动提取功能,快速提取各个计算结点上空间位置坐标与各类计算参数,大大缩短水文地质模型空间离散与相关数据文件组织所需的时间,提高地下水三维有限差分数值模拟的时效性,具有较高的实用价值.     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

土与结构间接触面的非线性弹性-理想塑性模型及其应用

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面提出了一种非线性弹性-理想塑性模型,用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。推导建立了这种接触面单元的应力-应变关系和弹塑性系数矩阵,并且讨论了这种模型在基坑开挖与支护分析应用中所面临的数值计算问题。最后针对某一基坑工程实例,应用这种接触面模型进行了数值计算与分析,结果表明,该模型能够较合理地模拟接触面上的变形机理与受力状态。     

时间谱电阻率法的二维正演算法

时间谱电阻率(TSR)法的二维正演, 是计算可极化二维地电构造上三维电流偶极源的电场瞬变响应, 属所谓2.5维时间域电磁场数值模拟问题, 是目前国际上未妥善解决的计算地球物理疑难问题.针对现有算法的局限性, 建立了新的算法, 其特点是: (1)采用二维有限单元算法, 在矩形网格中增加两对角线形成三角网格剖分, 同时用高斯消元法消除矩形网格中心结点的待求未知量.这样, 既可较准确地模拟任意二维复杂地电断面, 又可节省计算量.(2)采用直接计算二次场的新算法, 只需计算电场和磁场沿地电构造走向两个分量的一次场, 因而, 不但计算精度较高, 而且不显著增加计算量.(3)采用G -S变换法作逆拉氏变换, 并利用拉氏变换延迟定理在倍增的时间间隔中插值, 从而实现对密集采样时间瞬变过程的快速计算.(4)能对可极化和导电大地(即同时包括IP和EM效应).      

地震波混合阶褶积算法模拟

基于正反傅立叶变换,提出了地震波模拟的混合阶褶积算法。该方法原理简单、易于实现,结合了有限差分与伪谱法的优点,具有较高的精度和计算效率,适用于地震波场的正演计算,同时还给出了二维地震波场的理论计算实例。计算结果表明,此算法模拟结果正确、精度高、速度快、能适应较为复杂地质模型,并且易于推广到各向异性介质中去。     

利用一维正则化反演进行大地电磁测深数据拟二维反演解释

大地电磁测深的反演问题是不适定的,其反演结果不稳定,且具有非唯一性。通过在目标函数中采用正则化方法,可以使得不适定反演问题具有稳定的反演结果,并改善解的稳定性和非唯一性问题。为了提高野外大地电磁测深数据的处理效率和初步解释的精度,提出了大地电磁测深数据的一维正则化反演进行拟二维反演解释方法。这里所述的大地电磁测深一维反演解释,与以往的解释方法不同,其思路首先用Bostick反演的深度来控制层参数,使反演计算的模型参数仅存在电阻率;最后采用阻尼高斯-牛顿算法进行反演计算,并将Bostick反演结果作为反演计算的初始模型。通过模型试算,结果表明其处理速度快、解释直观,对野外大地电磁测深数据进行初步反演解释是可行的。     

海洋大地电磁二维正演及结果分析

研究了海洋大地电磁法的二维正演并编制了相应程序 ,程序采用有限单元法求出海底各节点处的电磁场值 ,进一步计算得到视电阻率。为了验证程序的正确性与有效性 ,根据卡尼亚理论推导出计算一维海洋模型的阻抗公式 ,并得到视电阻率的解析解 ,将其与有限元法得出的数值解进行了对比 ,表明了此方法的正确性。通过对正演结果的分析 ,表明海洋大地电磁测深能够成功地反映海底的电性结构     

粘弹性波动方程的系数反演

波动方程的系数反演是一种用于识别地下介质物理力学参数的重要方法。过去这方面的研究一般都建立在弹性模型的基础上,本文则提出了粘弹性反演模型,这种模型更能真实地反映波在地下传播的实际情形。在粘弹性反演模型的基础上,我们还提出了一整套行之有效的数值反演方法,并在频域中完成了反演计算。最后的数值计算结果是令人满意的,证明了本文的模型和方法的合理性。     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

基于三次插值的大地电磁自适应有限元二维正演模拟

大地电磁(MT)数值模拟中通常使用有限单元法,通过伽辽金(Galerkin)法将微分方程转化为与其等价的泛函形式,对泛函求取极值并在单元上定义插值基函数,得到节点上电磁场值的线性方程组,最终形成大型复对称稀疏矩阵。要达到较高的有限元计算精度,一般采用密集的网格或高次插值的方法,这样做大大的减慢了正演的速度。结合两者的优点利用三次插值和h-型自适应相结合的有限元法来实现MT的正演算法。首先从一个粗网格出发并利用三次插值,通过后验误差估计方法局部加密网格,在计算量较小的情况获得较高的计算精度。这种方法可以针对目标区域和介质分界面发生突变处进行网格加密,不需要全局加密网格。最后通过对国际标准模型COMMEMI-2D1的模拟,分别比较二次插值与三次插值的自适应网格数量和数值模拟结果,证明了三次插值自适应有限元算法的可行性。     

频率域反射波全波形速度反演

全波形反演不仅利用相位和振幅信息,还利用波形的细节变化,具有刻画模型精确细节的能力.在对稀疏矩阵直接LU分解求解的基础上,采用梯度预处理方法对声波介质速度模型进行了反射波全波形反演.采用误差反向传播算法计算目标函数梯度以及伪Hessian矩阵的对角线元素来做梯度预处理.数值模型的实验结果表明,利用有效的频率段便能反演出分辨率较高的速度结构,用低频反演出的结果作为高频反演的初始模型,减少了解的非唯一性.二维高斯光滑初始模型提供了有利的低频信息,得到较好的反演结果.伪Hessian矩阵的预处理吸收了高斯牛顿法的二次收敛优势,在不增加计算量的前提下,加快收敛速度.      

TBM护盾−围岩相互作用荷载识别方法

随着隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）开挖隧道埋深逐渐加大,穿越的地层结构更加复杂,如何降低卡机风险成为亟待解决的问题。提出了一种基于牛顿迭代和有限元理论的TBM护盾?围岩相互作用荷载反演方法。该反演方法以护盾内表面测点应变测量值与计算值的误差作为目标函数,并引入Moore-Penrose广义逆对反演方程进行求解。采用了护盾外表面有限分区的策略,定义各分区节点荷载值为反演参数,可以方便地控制反演参数的数量。各分区内部荷载通过节点值插值得到,实现了护盾表面任意分布荷载的离散拟合。算例结果表明：该反演方法计算效率高,对观测值误差具有很好的免疫效果;能够有效地获取护盾外表面的荷载分布规律和摩阻力的大小,在一定程度上能够为现场安全掘进、卡机预警以及事故处理提供指导。同时,该反演算法也可以扩展到低维情况,对其他结构受力或者物理参数的反演具有一定的借鉴意义。     

海水层对海洋大地电磁勘探的影响研究

为了研究海水层对大地电磁测深的影响,建立了一维层状模型并进行计算。结果表明,海水层对电磁场的影响特征主要表现为高频段的影响大于低频段,磁场的影响大于电场,相位的影响大于振幅。针对海洋大地电磁测深中使用远参考道问题,设计了三种二维地电模型(取参考点位于陆地或海底,测点位于海底),并对三种模型的大地电磁响应进行了有限单元法数值模拟,通过异常对比研究表明,在海洋大地电磁测深中可以使用远参考道,获得海底深部介质的地电信息。