自然单元法在岩土工程中应用两例

自然单元法(NEM)是较近出现的一种无网格方法,其形函数兼有无网格的特点和传统有限元的优点,是一种理想的适合岩土工程问题计算的新型数值方法。介绍了自然单元法的基本原理和特性,并讨论了其在岩土工程中的具体应用。将Goodman单元引入自然单元法以实现对不连续面的模拟,研究表明,在NEM中加入节理单元的总体原则和具体的实施细节与FEM中完全相同;而在一般的无网格方法中,则稍微复杂一点。为了实现对岩土工程中常见的无限域或半无限域问题的模拟,引入了无界单元;由于自然单元法的特性,自然单元法和无界元可实现无缝“耦合”。具体的数值算例验证了上述思路。     

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。     

复杂区域四边形网格生成的一种改进方法

提出了一种改进的四边形网格生成算法。该法在行波法生成平面三角形网格的基础上，将一个三角形单元分解为三个四边形单元。经过优化处理，获得优良的计算域四边形网格。针对岩土工程结构问题，还提出了网格剖分中尖灭不连续面和锚杆及锚索的处理方案。地下洞室和边坡算例表明了这种方法的可行性和可靠性。     

新型边界积分方程的无单元解及其应用

目前隧道及大型地下工程往往在裂隙岩体中开挖,而裂隙与地下空间的距离及裂隙的扩展条件,制约着隧道及地下工程的稳定性。应用能考虑孔洞和裂纹问题的新型边界积分方程与无网格加辽金法结合,建立一种新型的边界无单元法。在该方法中基本的未知量是由边界上的面力和边界上位移密度函数构成的复变量边界函数 。文中应用的边界积分公式和Muskhelishvili的积分公式直接相关。将无网格构造方法引入新型的边界积分方程,建立了新型的边界无单元法。应用该方法详细分析了含隧道和裂纹间相互关系等问题,其数值结果与解析结果吻合很好,说明该方法的正确性和可行性。     

无网格伽辽金法应用的参数选择及内部边界处理

无网格辽金法作为-种新的岩土工程数值计算方法, 该法其只需节点信息的无单元特性, 使其具有计算优势。本文结合固结EFGM刚度矩阵公式, 对不同的计算参数进行计算分析, 找出其影响规律。并采用跳跃函数处理内部边界条件, 计算结果表明, EFGM处理内部场函数不连续是准确的。     

无网格自然单元法在弹塑性分析中的应用

无网格自然单元法在构造位移插值函数时不需要单元的信息,只需要结点的信息,在裂纹扩展模拟、材料非线性分析、几何非线性分析以及三维计算等方面具有广阔的应用前景。阐述了将无网格自然单元法应用于结构弹塑性分析的过程和基本理论,给出了其位移插值函数的构造过程,并将其结果与常规的有限单元法进行对比,证明了该方法用于弹塑性分析的优越性。     

横向荷载下桩-土相互作用的无网格分析

基于新型的岩土工程数值分析方法--无网格Galerkin法,利用移动最小二乘法所具备的局部化技术,引入不同材料介质之间材料不连续问题的无网格求解方法,对横向荷载作用下桩-土相互作用特性进行了无单元数值模拟分析,并采用MATLAB语言编制出相应的计算程序,由此对不同荷载作用大小、桩周土性质及桩-土刚度比等因素对桩身受力变形特性的影响进行了对比分析,获得了一些定性的结论。工程实例应用结果表明,这一方法在精度和后处理方面比传统的有限元等数值方法更具优势,且计算结果与通用有限元软件ANSYS计算结果吻合良好。     

岩土体渗流自由面问题的重心插值无网格方法

岩土体的渗透破坏、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。针对渗流自由面问题,提出一种重心拉格朗日插值的配点型无网格方法。由于渗流自由面问题的求解区域是不规则区域,该方法通过将不规则求解区域嵌入一个正则矩形区域,在正则区域上采用重心拉格朗日插值近似未知函数,利用配点法离散渗流问题的控制方程,将重心拉格朗日插值的微分矩阵离散成代数方程表达的矩阵形式。将自由面上的边界条件通过重心拉格朗日插值离散,通过置换方程法和附加方程法施加边界条件,利用正则区域上的重心插值配点法,通过迭代确定最终自由面的位置。数值算例表明所提出的无网格方法对于求解渗流自由面问题的正确性和高精度。     

三维复杂域非结构化六面体网格全自动生成方法

使用自适应有限单元法在三维复杂域内求解水工及岩土工程问题,讨论了应用行波法在多介质三维复杂块体内六面体单元网格的自动生成过程。其特点是对不规则区域具有较强的适应性,并考虑了节理单元的自动生成。     

大地电磁二维正演中的无网格局部径向基点插值法

无单元Galerkin法作为较成熟的一种无网格方法,已成功应用于有限元法触及的领域,还解决了如大变形、裂纹扩展及高速冲击等网格方法较难处理的问题,但其最大的缺陷在于系统方程的离散需借助背景网格,因此该方法并非真正意义上的无网格方法。无网格局部径向基点插值法采用子域法构造系统方程,加权残量只要求在局部积分域消除,大大降低了对背景网格的依赖,向真正的无网格迈进了一大步.这里将此方法用于大地电磁二维正演,介绍了该方法的基本原理;从大地电磁二维边值问题出发,利用子域法推导了与之对应的无网格局部弱式系统方程,并用高斯积分将其离散化;论述了局部径向基点插值法较无单元Galerkin法及有限元法的优缺点;最后通过二维模型的计算验证了算法的有效性。     

岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始应力场。实际工程中,岩体往往为非线性。本文采用遗传算法与有限元联合反演法求解非线性岩体初始应力场,通过算例说明文中所提方法是合理的,可在工程应用中推广。     

人工神经网络在岩体初始应力场反演中的应用

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始地应力场，而可供工程应用的初始应力值，主要靠少数实测资料。根据少数测点值，采用人工神经网络与有限元相结合的方法求解岩体初始应力场。通过算例说明：文中所提方法是合理的。     

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。     

极限分析有限元法讲座—— Ⅰ岩土工程极限分析有限元法

经典岩土工程极限分析方法一般采用解析方法，有些还要对滑动面作假设，且不适用于非均质材料，尤其是强度不均的岩石工程，从而使极限分析法的应用受到限制。随着计算技术的发展，极限分析有限元法应运而生，它能通过强度降低或者荷载增加直接算得岩土工程的安全系数和滑动面，十分贴近工程设计。为此，探讨了极限分析有限元法及其在边坡、地基、隧道稳定性计算中的应用，算例表明了此法的可行性，拓宽了该方法的应用范围。随着计算机技术与计算力学的发展，岩土工程极限分析有限元法正在成为一门新的学问，而且有着良好的发展前景。     

弹塑性土质边坡的ALE方法有限元分析

有限元法被广泛用于解决几何和材料非线性的问题,但标准的有限元方法难以有效解决某些材料的大变形问题和计算中的网格扭曲问题。任意拉格朗日-欧拉法（ALE法）吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,并克服了两者的缺点,可用于解决仅用拉格朗日或欧拉有限元法所难以解决的问题。基于ALE有限元方法和弹塑性大变形基本原理,研究了岩土工程中土质边坡在自重作用下的稳定问题;计算结果不仅能直观地显示失稳时的大变形状态,并能确定较符合实际的临界滑移面形状;同时分析了含软弱夹层复杂土质边坡的稳定性。结果表明,ALE方法能有效分析土质边坡的稳定性问题,适用于岩土工程的弹塑性分析。     

Mesh-free analysis applied in reinforced soil slopes

One of the most applicable geotechnical structures whose analysis is carried out through iterative procedures is the reinforced soil slope. In this regard, the most successful method for the reinforced slope analysis through numerical methods is the finite element method whose updating mesh may result in some difficulties. In this study, the Natural Element Method (NEM), which is a mesh-free method, in conjunction with conventional limit equilibrium is implemented to find the slip surface in the reinforced slopes. Results demonstrate the convergence and preciseness of the present method in comparison with the other numerical methods and conventional limit equilibrium method.     

基于边坡稳定性计算方法比较分析

将强度折减法应用于边坡稳定性分析中,折减土体强度,代入有限元程序进行计算,直至计算不收敛,此时的折减系数即为安全系数。结合工程实例,将强度折减法应用于边坡稳定性的分析,利用瑞典圆弧法,结合岩土工程设计类软件天汉以及有限元分析软件ABAQUS分析边坡稳定性,并对安全系数进行对比,3种计算方法得出的安全系数差别不大,安全系数精度都能满足工程要求。     

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。