清江隔河岩重力拱坝坝体与复杂地基相互作用的三维有限元分析

本文介绍了建在复杂地基上的清江隔河岩重力拱坝的三维有限元分析。计算模型考虑了坝基岩体岩层的倾斜错位,三条大断层与二个沿层面方向的软弱夹层等复杂的地质因素。计算了静水压力、坝自重、扬压力及温度应力等荷载,其中包括地基三维渗流场和温度变化场的计算。坝体结构复杂且呈左右不对称状。计算模型所涉范围约 1400X900X600m~3。有限元网格包括各类单元1845个,节点总数达3280个。采用超松弛迭代法求解。分析中应用了三线透视图象和后处理软件系统。此项计算规模巨大、处理问题复杂的三维有限元的各项计算分析结果均为合理。为设计单位提供了重要依据,对于正在建设中的隔河岩大坝具有重要的实用意义。     

Application of Numerical Method to Soil Mechanics

This is a summing-up report based on 48 papers on the applications of numerical method to soil mechanics. Recently, there is a new development of coupling of finite element with other numerical ones in soil mechanics. The dynamic numerical analyses have found further application to nonlinear stress-strain relationship, effective stress, and three dimensional problems. The suitable contact element or conjunct element could be used for contact conditions in finite element calculation. It is an important direction to combine usual numerical method with probabilistic method, which has been used in evaluations of consolidation effect, slope stability, dam, seepage, deformation calculation, interaction, and the performance analyses of pole and foundation.     

数值计算方法在土力学中的应用

本文是对48篇有关数值方法在土力学方面应用的论文进行综述的报告。近年来,在土力学方面有限元和其它数值方法的耦合有了新的发展,动力分析在非线性应力应变关系、三维问题和有效应力分析中得到了进一步的应用,接触单元或连接单元可用来处理有限元计算时的接触条件。数值方法和概率方法的结合是一个值得重视的发展方向。这些方法可应用于估计固结效应、土坡稳定、土石坝、渗流、变形计算、共同作用、桩和地基性状分析等方面。     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。     

光照碾压混凝土大坝渗控分析

基于光照水电站坝基水文地质条件及坝体渗透特性的研究,建立了大坝三维有限元模型,模型较详细地考虑了坝体大坝不防渗结构和排水系统及坝基地质和防排渗结构。分析研究了薄层单元、排水孔幕的模拟方法,采用合适的方法计算了同条件下的渗控情况。通过综合对比分析,对该坝的渗流规律及相应渗控措施进行了初步地探讨。     

复杂地形下高密度激电法2.5维有限单元法数值模拟

目前三维有限元模拟计算量大,计算效率低,对计算机要求较高,2.5维模拟是三维问题的简化,较好地克服了上述问题。在高密度激电法模拟中,模拟的点数一般较大,要求程序计算效率高,因此对高密度激电法2.5维模拟研究是必要的。首先给出了2.5维稳定电流场的边值问题及对应的变分问题;为了能更好模拟复杂地形对极化率异常的影响,采用三角形网格,有利于模拟复杂地形又有利于将其应用于反演计算。推导了基于连续电性介质的2.5维稳定电流场的有限元法,利用等效电阻率法,编制了2.5维高密度激电法有限元模拟程序,计算了水平地形及起伏地形下的极化率异常模型,并验证了方法的可行性,分析得出了山谷地形比山脊地形对极化率观测的影响大的结果。     

高混凝土重力坝复杂坝基稳定安全度及极限承载能力研究

采用各向异性强化-软化的有厚度薄层单元模拟了坝基软弱夹层的力学变形特性,采用无厚度接触摩擦单元模拟坝基岩体节理裂隙,对高混凝土重力坝复杂坝基抗滑稳定采用三维非线性有限元分析,利用强度储备系数法模拟坝体坝基系统的渐进破坏过程、可能失稳模式,提出了塑性屈服区贯通的强度分析方法、典型特征点位移突变的变形体分析方法以及能量法联合判定坝体坝基系统极限承载力的研究方案,得出了坝体坝基系统的极限承载力。最后针对建设中的向家坝水电站高重力坝的深层抗滑问题进行了三维非线性有限元分析,计算结果表明,系统的极限承载能力由夹泥层的强度控制,极限状态的强度储备系数为2.7。     

渗流场反演计算与物探检测结果相互关系的分析研究

从渗流场形成的机理出发,采用三维八节点等参数有限元法进行稳定渗流场计算具有高效、精确的特点.而且,反演计算要选择单元节点而不选单元内部的点进行,边界条件应按实际情况来定,计算误差用分级约束技术来控制.反演结果与物探检测结果进行了对比,综合全面地了解到库区的渗漏情况,提出了合理的控渗措施.     

虚拟单元法求解渗流流量

提出了计算渗流场流量的虚拟单元法,推导了虚拟单元法有限元方程,并探讨了虚拟单元法的有限元实现方法,建立了虚拟单元法求解渗流流量的理论和方法体系。二维径向渗流和平底坝基算例比较分析表明,虚拟单元法具有计算精度高及有限元实现简单并容易编写通用程序等优点。虚拟单元法与中线法计算流量具有相同的精度,但在应用上虚拟单元法有一定优势。     

非稳定温度场的三维p型有限元方法研究

非稳定温度场的边界往往是温度梯度较大的区域,需要划分较密的网格。但在三维温度应力的计算中太密的网格往往使得计算成本很高。将p型阶谱有限元方法引入温度场的计算,则可以开拓一条解决这类问题的有效途径。研究了p型有限元中的温度边界条件和初值,编制了有关程序,对同一个算例,采用不同网格密度的常规有限元法和p型有限元法进行了温度场计算分析和对比。研究结果表明,用p型有限元进行非稳定温度场计算,在网格稀疏的条件下能够达到较高的精度。     

白鹤滩水电站拱坝推力对坝肩的影响分析

对于地质条件复杂的高拱坝,坝肩的变形及稳定性对拱坝的受力状态有很大的影响,在研究过程中必须考虑拱坝与坝肩之间的相互作用。为降低三维有限元建模的难度和更好地模拟坝肩复杂的地质构造,分别建立坝肩和拱坝的有限元模型,采用试算迭代的方法考虑二者之间的相互作用;并运用卸荷岩体力学理论的方法分析坝肩岩体开挖卸荷后,在拱坝推力作用下的应力应变情况。结果表明,考虑拱坝推力后坝肩槽上、下游边坡位移变化不大,变幅在1 cm左右;拱坝推力对拱端边坡有比较明显的影响,在推力作用下,边坡向坡内有一定的变形。     

复合单元法的物理和数值试验验证

简述了复合单元法的基本原理和算法,该方法的主要优点在于可以明显地减少前处理的工作量和难度,且可以与有限单元很好地耦合在一个系统中。介绍了宝珠寺重力坝的物理模型超载试验。分别采用三维弹黏塑性复合单元法和三维弹黏塑性有限单元法对宝珠寺重力坝的超载工况进行了数值试验,并与物理试验进行比较。结果表明,三种方法得到的特征点位移吻合得较好,两种数值试验方法的整体位移和应力也基本一致。研究验证了复合单元法的正确性,也说明了该算法的主要优点：前处理简单,计算精度与有限单元法相当,同时还证实了复合单元单元法可以较好地解决复杂岩基上重力坝的变形与破坏问题。     

基于RNN模型的坝体和岩基区间参数反演方法研究

针对混凝土大坝坝体和岩基参数的区间不确定性,构造具有区间分析功能的RNN（粗糙神经网络）模型,并运用该模型反演坝体和岩基区间参数值。应用区间有限元对结构进行正分析,根据区间参数反演的需要选取相应的区间学习样本,利用RNN模型对样本进行模式学习直至网络收敛,最后通过网络回想和反归一法得到坝体和岩基力学参数的区间值。研究结果表明,该方法可用于反演混凝土坝坝体和岩基区间力学参数,反演得到的区间参数值是合理的。此外,基于RNN模型的区间参数反演方法经过一定的拓展和改进,理论上可应用于反演其他类型的区间参数。     

筒型基础防波堤稳定性简化计算方法

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠下部筒体沉入土中维持结构稳定。结合实际工程,建立了筒型基础防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,得出了其失稳模式为绕基础筒底以下某点发生转动失稳。通过对结构进行极限状态受力分析,建立了基于实际转动点的结构稳定性计算方法,对稳定性计算模型和土体作用力计算公式等进行了检验。在此基础上,将转动点移至基础筒底部距结构中心线水平距离为h′的位置,以此作为结构倾覆破坏时的假想支撑点,建立了基于重力式结构稳定性验算模式的筒型基础防波堤稳定性分析的简化方法。通过不同基础尺度下计算结果的分析比较,建议了h′的取值。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法具有较高的精度,可供实际工程参用。     

基于Mohr-Coulomb准则的喷粉桩静载实验与三维数值模拟

在土建、交通、水利等工程建设中利用喷粉桩来处理软弱地基,被称为是经济、快速、有效实用的方法。结合南京四桥桩基施工工程,对工程中所用到的喷粉桩进行静荷载试验,并采用三维有限元数值模拟的方法对单桩复合地基进行数值计算,所得计算结果与实验数据基本吻合。     

Time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction including the reservoir bottom absorption

In this paper, time-domain dynamic analysis of dam–reservoir–foundation interaction is presented by coupling the dual reciprocity boundary element method (DRBEM) in the infinite reservoir and foundation domain and the finite element method in the finite dam domain. An efficient coupling procedure is formulated by using the sub-structuring method. The effects of the reservoir bottom absorption are included in the formulations. Sharan's boundary condition for the far-end of the infinite fluid domain is implemented. To verify the proposed scheme, numerical examples are carried out by comparing with the available exact solutions and finite–finite element coupling results for the dam–reservoir interaction. A complete dam–reservoir–foundation interaction is also studied by including the bottom absorption effects. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

高土石坝加速度响应的三维有限元研究

采用三维有限元分析方法,对100 m以上的均质堆石坝进行了动力反应分析,研究了沿大坝高度方向和坝纵轴线方向的加速度分布规律,分析了坝高、动剪切模量、坝坡坡度、河谷宽高比、地震峰值加速度、地震波对加速度放大倍数的影响。结果表明：高土石坝表现出明显的三维动力效应,坝高、动剪切模量、坝坡坡度等因素对大坝三维加速度反应均有不同程度的影响;所有工况中地震加速度均在坝高4/5以上的河谷中部放大明显,现行规范建议的加速度分布规律不符合高坝的反应特性。根据计算结果,建议了大坝坝坡抗震加固的范围。     

基于广义塑性理论的尾砂本构模型在ABAQUS中的二次开发

建立尾砂的本构模型是开展尾矿坝数值模拟和安全评价的重要基础,而目前尾砂的本构模型研究多集中于非线性弹性模型,如Duncan-Chang模型,关于弹塑性模型的研究较少。结合尾砂的应力-应变特性,提出了一种适用于描述尾砂力学特性的改进广义塑性模型。基于用户自定义材料子程序UMAT,将提出的模型在ABAQUS中二次开发实现,应力积分采用Runge-Kutta显式积分。通过三轴试验模拟验证,偏差应力曲线表明,有限元计算结果可以反映围压对应力-应变关系的影响,抗剪强度随应变逐渐硬化,达到峰值强度,随后发生应变软化,抗剪强度有所下降。体应变曲线结果表明,广义塑性模型可以很好地描述体应变曲线的体缩-体胀发展过程,与试验曲线吻合较好。同时有限元数值模拟结果和理论值误差很小,且和试验结果拟合较好。该研究成果可进一步用于尾矿坝的应力变形计算和安全评价。     

基于随机有限元法的溶蚀坝基系统建坝适应性评价

依托溶蚀地基上建坝的典型工程问题,在研究坝基溶蚀空间展布特征的基础上,建立溶蚀带力学参数随机场模型,采用随机有限元方法研究坝体工作性态的统计特性,评价了溶蚀坝基建坝适应性。采用溶蚀带力学参数随机场模型,等效模拟了空间内溶蚀体的无序分布系统,排除地质统计中线溶蚀率的人为假定,避免了以往确定性分析模型中溶蚀体缺失现象。研究方法和成果亦可以为其他相似复杂地基工程的数值分析提供新的思路和参考。     

A variational inequality approach to free surface seepage in an inhomogeneous dam

The current work uses Baiocchi's transformation to obtain heuristically a formulation of the inhomogeneous dam problem. When finite element methods are applied the finite dimensional problem is a variational inequality which may be solved to obtain approximate solutions. The main advantage of the method is that it uses a fixed mesh. The finite dimensional problem is solved by means of succesive overrelaxation with projection. Although the standard convergence theory¹ for this method does not apply in this case, because the stiffness matrix is not symmetric, satisfactory and rapid convergence was obtained in all of our examples. Numerical results are given for some examples.