非连续子母块体理论模型研究(Ⅱ):实例分析

依据第Ⅰ部分所提出的非连续子母块体理论模型,应用Visual C++语言开发了基于Windows的面向对象的非连续子母块体计算分析模块。通过斜面滑块、两块体相互作用、悬臂梁端部受力等算例验证了所提出的非连续子母块体理论模型及所开发的计算分析模块的可行性与有效性。将开发的计算分析模块应用于石拱桥受极限荷载发生破坏失稳的工程实例中,通过与其他算法的计算结果进行对比讨论,证明了非连续子母块体理论模型在处理材料破坏问题方面的优越性。     

三维非连续变形分析方法中的锚杆模拟

提出了三维非连续变形分析方法中锚杆的简化模型，给出了相应的算法和公式，算例表明，该模型能较好地反映锚杆的加固效果。     

无网格伽辽金法(EFGM)模拟不连续面

无网格伽辽金法（ＥＦＧＭ）是最近出现的一种新的数值方法。该法只需节点信息,不需将节点连成单元;此外,还有精度高、后处理方便等优点。本文论述如何用该法模拟不连续面,并给出算例。     

多块体接触有限元法及其对不连续面围岩的模拟

给出了一种求解多块体接触的有限元解法,即将接触面条件精确引入并以节点接触力为基本未知量,把高度接触非线性问题凝缩在可能接触面上进行。首先从两块体三维接触力学模型着手,从整体有限元方程导出增量形式的协调方程,在此基础上详细讨论了多块体接触协调方程的建立方法。随后以广义Mohr-Coulomb准则为摩擦力条件,给出了增量形式的定解和判定条件。程序实施时,针对三维接触问题滑动方向无穷的问题,同时对接触状态及滑动摩擦力分量进行判定,使得迭代收敛快速准确;对于多块体常见的非光滑接触,即角点问题,将角点分类,并根据角点实际的接触状态分情况给出了更为合理的处理方法。通过算例验证后的程序应用于不连续面地下洞室开挖模拟,取得了满意的结果。     

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。     

采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的, 应用新的数值计算软件RFPA(2D), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

岩爆及采矿诱发岩体失稳破坏过程数值模拟新方法

岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的,应用新的数值计算软件RFPA(2D)——基于岩石宏观非线性行为可能是由具弹脆性特征的细观微元体不断破裂造成的,造成微元体不断破裂(并非某一时刻同时破裂)的原因是微元体材料性质(微元体强度、弹性模量和泊松比等参数)的非均匀性,是一个数学上相对简单但能充分考虑岩石介质复杂性的方法,对采动引起岩体失稳破坏的全过程进行了数值模拟研究,表明应用RFPA(2D)是切实可行的。      

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     

安徽芜(湖)-铜(陵)高速公路高边坡岩体结构特征与稳定性评价

根据芜-铜高速公路高边坡的实地调查与评估,论述了高边坡有不同的地层岩性和结构体所确定的边坡岩体结构类型,并且分析了各类边坡岩体结构的变形破坏与失稳模式。同时采用定性及定量分析方法确定岩石高边坡的稳定状况,由此对沿线高边坡的变形与失稳状况做出系统的分析与评价,预测和分析高边坡的变形与失稳破坏,对其提出针对性的防治工程意见与建议。     

节理岩体冲击破坏的数值流形方法模拟

节理的存在是岩体明显区别于岩石的一个重要特征,也是导致岩体具有非均质性及各向异性的一个重要因素。节理岩体在爆炸冲击荷载作用下的破坏特征不仅是岩体力学研究的一个热点问题,也是岩石爆破领域经常遇到的一个工程问题。目前,常用的有限元和离散元等数值方法都不能很客观地反映岩体中节理分布的实际规律,而最新出现的数值流形方法则完全能够按照岩体中节理的实际分布规律进行建模,并能够很好地模拟岩体在外力作用下新裂纹的产生及已有节理的开裂。对3种不同节理岩体,即无节理岩体、均布水平节理岩体、均布垂直节理岩体等在均布垂直于圆周方向上的冲击荷载作用下的破坏过程进行了模拟。由模拟结果可以明显看出,节理的存在对岩体的破坏型式起到了关键性的控制作用。对于完整岩体,其破坏型式呈现出了很好的对称性;而对于水平及垂直节理岩体,其破坏型式在很大程度上受到节理分布的控制。研究结果对岩石爆破工程设计具有一定的指导意义。     

无限块体稳定性研究

以西南某巨型水电站地下洞室围岩稳定性研究为例,研究了地下洞室围岩无限块体稳定性问题,认为无限块体稳定性是地下工程围岩稳定性研究的一项重要内容。块体可分为无限块体和有限块体两大类,无限块体目前均认为是稳定的。研究表明并不是所有的无限块体都是稳定的,无限块体在某些因素(如自重作用、二次应力作用、地震作用)的影响下仍可失稳破坏,是地下工程围岩的一种新的破坏形式,并提出了无限块体失稳边界条件的概念。提出了无限块体的研究方法,进一步阐明了块体研究的发展方向。     

基于连续-非连续分析理论的隧道围岩破坏区判识方法研究

准确分析隧道挖破坏区的范围对合理确定支护参数有着重要的指导作用和工程意义,主要围绕连续介质分析方法和以有限元-离散元耦合方法（finite element-discrete element coupling method,简称FDEM）为代表的连续-非连续方法开展了隧道围岩破坏区判识方法研究。研究了连续介质分析方法与FDEM识别围岩破坏的判别标准;将岩体划分为弹性的岩石单元和弹塑性的界面单元,基于等效连续模型的思想,推导了界面单元力学参数与岩石单元及岩体单元力学参数的关系表达式,首次建立这两种方法参数取值的联系,解决了连续-非连续方法取值难的问题;对比了两种方法模拟不同岩性、断面铁路隧道开挖过程中围岩破坏区范围。基于规范中各级围岩的力学参数取值范围,给出了各级围岩下以FDEM中罚参数和断裂能等围岩主要破坏参数的取值范围;FLAC3D为代表的连续介质方法和FDEM两种方法对不同岩性、断面铁路隧道开挖过程模拟结果表明,连续介质方法得出的塑性区和以塑性极限应变得出的破坏区域和连续-非连续方法得出的裂纹扩展区和破坏区在分布范围、形态及破坏形式上基本一致,验证了提出的FDEM围岩破坏参数取值方法...     

基于线性互补的非连续变形分析

非连续变形分析(DDA)方法是一种新的用来分析块体系统运动和变形的非连续介质数值计算方法。研究的核心工作是致力于对现有DDA接触问题处理方法的改进。DDA主要采用罚函数法和Lagrange乘子法处理接触问题,合理设定罚参数很困难,此外,因开闭迭代而引起的刚度矩阵的不连续变化也会导致收敛方面的困难。为避免引入罚参数及传统意义上的开闭迭代,用混合线性互补模型(LCDDA)对DDA方法进行了重新描述。在此基础上,综合基于非光滑分析的Newton法的局部平方收敛和最速下降法的全局线性收敛的优势,提出求解LCDDA模型的有效算法。根据上述思想及理论研究成果编制了完整的计算程序,算例计算结果证明了方法的精度及可行性。     

不连续岩体变形破坏过程中AE的空间演化与意义

通过一些典型节理化岩体模型变形破坏过程中的AE事件的定位分析和破裂面形态的研究,探讨了不连续岩体变形破坏过程的空间演化特征。结果表明:单节理岩体变形破坏的空间动态特征受节理角控制,随着节理角从小变大,岩体的变形破坏方式从AE在局部集中的突发式失稳向AE弥漫于整个节理层面的类似渐进式的破坏形式发展；失稳破裂面从简单的整体状岩-膏界面变成形态复杂的层内复合破裂面；复杂节理岩体的变形破坏受一条（组）主导构造控制,强AE事件集中发生在不连续构造交汇部位,在包含多条主构造的岩体模型中最终失稳破裂面只与最后阶段AE的位置一致。     

非连续变形分析方法中的阻尼问题研究

定量研究了非连续变形分析(DDA)方法中的黏性阻尼与数值阻尼。首先,基于Newmark直接积分法,推导了块体系统的运动方程。其次,通过动力学中的黏性阻尼理论建立了DDA中动力系数、时间步长与黏性阻尼比的关系式,探讨了DDA中的常加速度积分方案的数值阻尼分区及阻尼比计算方法,进而得到两种阻尼共同作用时的阻尼比表达式,并分析了频域内阻尼比的分布情况。最后,以谐振激励下的块体振动为例,通过对比不同阻尼作用下块体位移的DDA计算值与理论解,验证了本文提出的阻尼比计算公式的正确性。研究表明：黏性阻尼对低频的衰减作用明显,数值阻尼则可以很快地消除高频干扰,而二者共同作用下可降低阻尼的频率相关性。该研究成果为DDA的振动、波动等动力计算的阻尼取值提供了理论依据。     

不连续岩体-拱坝系统的动力过程数值模拟方法

提出了一种分析三维不连续变形块体系统动力学过程和建坝的数值方法,该方法不但能够模拟位移不连续面在地震载荷作用下的张开和大尺度的摩擦滑移,而且还能给出不连续面上安全系数的分布和随时间的变化.通过有2个块体组成的系统验证了所提出的方法的正确性,同时用它分析了一个具有断层和伸缩缝的拱坝系统模型在地震载荷下的动力反应.     

基于连续-非连续方法的裂隙破坏与相互作用研究

岩体内裂隙等非连续结构面对岩体的强度及变形等力学特性有着显著的影响,研究岩体裂隙起裂、扩展、相互作用和贯通机制,对工程岩体力学行为的表征和工程性能的评价十分重要。本文基于连续介质力学模型的离散元方法,通过考虑裂隙分布、模型加载条件及其与裂隙产状的关系,建立了一系列裂隙力学计算模型,研究了不同模型裂隙扩展演化特征和岩体破裂机制,分析了岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径和强度的影响,研究结果表明:（1）裂隙岩体模型加载条件下的破坏起裂点、最终贯通破坏特征及损伤分布受控于裂隙的产状及其与最大主压应力取向角度大小及围压大小。（2）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙弱面在加载条件下其端部裂隙扩展、贯通破坏表现比较明显,反之,当裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致时,裂隙弱面被动影响裂隙模型内新生裂隙的萌生、扩展和贯通模式,自身未出现新的扩展破坏。（3）裂隙数目的增多和围压的增大会显著增加模型内部剪切裂缝的数量和模型破坏后的破碎程度,模型内部的损伤区域主要围绕破裂面呈滑移线型交叉分布,非破裂面区域损伤呈条带状X型分布。（4）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙对岩体模型强度的弱化程度高于裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致的情况,而裂隙模型破坏后的残余强度则正好相反。     

深部岩柱在动态扰动下力学响应的数值模拟

在复杂应力状态下对深部岩柱动态扰动的力学响应进行了数值模拟。通过改变侧压系数,来改变岩柱所受的地应力状态,进而分析不同应力状态下岩柱对外界动力扰动的力学响应;通过改变动态扰动的作用时间,来分析动态扰动时间的变化对处于不同应力状态下的岩柱稳定性的影响。数值模拟结果表明,动态扰动对巷道岩柱破坏的触发与岩柱所处的地应力状态密切相关,侧压系数越小,外界的动态扰动对其影响就越明显。动态扰动的作用时间也是影响巷道岩柱稳定的重要因素,随着应力波作用时间的延长,动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。     

基于非连续单元法的露天矿轮斗剥离台阶片帮灾害分析

针对某露天煤矿轮斗剥离台阶片帮情况,对剥离台阶岩土体进行了物理力学试验,基于有限差分方法,从边坡内部应力应变特征及塑性区扩展情况开展了单台阶片落体失稳机理分析,基于改进的结构面软化模型,采用连续-非连续单元方法(CDEM)对片落体滑塌及堆积的全过程进行了数值模拟分析,对片落体的运动轨迹及堆积情况进行了模拟分析,结合现场地质环境特征,分析了单台阶片帮的触发因素,结论表明,改进的结构面软化模型可作为地质体的渐进破坏的判据,真实还原片落体垮塌全过程;采用连续-非连续单元方法可模拟材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程,实现大变形滑坡的灾变全过程分析,研究成果可为类似工况的边坡的评价及治理提供参考。