数值模拟方法在应力场演化及地震科学中的研究进展

本文对数值模拟方法(主要针对有限单元法)在应力场演化及地震科学中的应用和发展做了回顾与总结,主要包括构造应力场模拟、地震活动性模拟、地震危险性模拟等部分,并对数值模拟方法的发展趋势、方法的优势及其所存在的主要问题做了探讨.     

大型水电站厂区三维地应力场回归反演分析

岩体初始地应力场是地下洞室围岩稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,初始地应力场是否可靠将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。结合某水电站厂区的地质条件及地应力实测资料,引入灰色控制系统理论,采用三维有限元法和采用静态的三因素灰色计算模型GM(0, 3)对厂区岩体初始应力场进行回归反演分析。计算结果表明,厂区存在较大的水平向地质构造作用,岩体的地应力由自重和构造应力叠加而成。实测点的计算应力值与实测值在量值上和方向上都较为接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得地下厂房厂区初始应力场较为合理的分布规律,为地下厂房的开挖模拟及稳定性分析提供了合理的初始应力场。     

三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法

岩体中的裂隙分布具有随机性,且渗流主要通过裂隙面进行。运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面,基于矢体的概念,实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。通过算例分析,验证了所提方法的准确性和有效性。     

基于局部加密非结构化网格的三维电阻率法有限元数值模拟

总结了目前常用的结构化网格及其局限性,分析了非结构化网格对复杂地质体边界的适应性和Delaunay三角化算法及其网格加密策略,提出了一种新的局部节点加密方法,实现了对复杂模型的完全非结构化四面体全自动剖分,给出了三维直流电阻率模拟中四面体网格的质量评价标准和最优指标.计算和分析表明,数值解在点电流源及附近的奇异区精度最低,网格加密策略可以有效地减少其影响,极大地提高数值解的精度.本文提出的局部节点加密策略计算量最小,对精度的改善也优于经典方法.在精度要求苛刻或模型十分复杂时,局部体积加密策略和二次单元是高精度模拟的可靠保证.     

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.     

酸雨环境下砌体结构地震易损性研究

对4榀相同特性的砖墙进行不同程度的酸雨腐蚀试验及低周反复荷载试验,得出其在不同腐蚀循环次数下的滞回曲线。基于陆新征-曲哲恢复力模型对砖墙试件进行模拟分析,并与试验结果进行对比,验证得出三弹簧单元模型能够较准确预测砌体构件的滞回性能。利用三弹簧单元模型对不同腐蚀次数下砌体结构进行IDA分析,得出不同腐蚀次数下砌体结构的易损性曲线,通过对"小震"、"中震"、"大震"下结构失效概率的分析得出,酸雨腐蚀能够严重影响结构的力学性能,使得结构的抗震性能显著下降。     

基于流固耦合两相介质动力模型的饱和土体—地下结构体系地震反应研究

基于ABAQUS有限元软件平台,应用流固耦合两相介质动力模型孔压单元模拟场地饱和土体,进行了饱和土体-地下结构地震反应的计算研究。结果表明：在地震输入的最后时刻结构的两侧底角区域应力值最大;土体的孔隙压力和竖向位移主要集中在结构下方的区域,结构两侧土体的孔压与竖向位移呈对称分布;场地土体的竖向位移随深度的增加逐渐减小;体系最大地震反应出现的时刻对应于输入地震动的最大加速度出现的时刻。表明了流固耦合两相介质动力模型孔压单元在饱和土体-地下结构体系地震反应研究中的有效性。     

火灾及爆炸共同作用下平面约束钢梁的非线性分析理论

采用非线性铁木辛柯梁单元,结合一种新的温度-率相关本构方程,推导了单元切向刚度矩阵,并编制了有限元程序。该程序可用于进行火灾或爆炸冲击过程中梁的响应分析,亦可用于两者共同作用下梁的耦合响应分析。基于弹性铁木辛柯梁挠曲线方程构造三次插值位移场,同时考虑了梁变形的几何非线性效应并采用了Green-Lagrangian应变,再结合非线性的本构关系,该理论能较完整地考虑火灾及爆炸诸多工况组合下平面约束钢梁可能发生的多种效应。通过对工字型等截面直梁火灾升温及爆炸3种荷载组合形式下的响应分析,验证了理论模型的合理性。     

超高密度电法全四极装置正反演

超高密度电法是一种新型、高效且实用的电法勘探方法,数据信息量是常规方法的数十倍以上.本文从超高密度电法的基本理论与数据采集方式入手,阐述了超高密度电法的全四极装置观测方式,推导了基于双线性插值、三角形剖分的超高密度电法正问题有限单元法求解方法;提出了超高密度电法的偏导数矩阵混合求解及最小二乘广义线性反演算法.以一个典型地电模型为例,分别采用超高密度全四极装置与五种常规排列装置进行正演模拟并反演成像,反演结果表明,超高密度全四极装置相对于单一装置采集方式具有探测数据量大、抗干扰能力强、数据反演异常结果能够更好的刻画实际地质情况的特点.最后,采用超高密度电法对倾斜板状体地电模型进行正反演,说明了该方法能较好的反映出地下电性的分布,有效提高物探解释的可靠性及勘探的准确性.     

DebakeyⅠ型与ⅢB型主动脉夹层真假腔判别的定量分析

目的：本研究通过对主动脉夹层真假腔绝对面积、相对面积与平均衰减值的测量和分析明确其在判别真假腔中的应用价值。方法：回顾性分析2011年5月～2013年11月因急性胸痛就诊的可疑主动脉夹层患者65例,中位年龄54岁,其中男性49例,女性16例,符合纳入标准与排除标准。所选患者均进行标准主动脉CTA检查。测量多平面数据,测量指标包括真假腔绝对面积（并通过计算得出相对面积）和平均衰减值。比较真假腔绝对面积、相对面积以及其平均衰减值。绘制ROC曲线求出真假腔绝对面积、相对面积与平均衰减值判别真假腔的曲线下面积。结果：平均真腔绝对面积为（656．30±386．21）mm^2,平均假腔绝对面积为（951．21±464．32）mm^2,经配对样本t检验,t=-49．318,P=0．000,差异具有统计学意义;平均真腔相对面积为0．33±0．14,平均假腔相对面积为0．67±0．14,经配对样本t检验,t=-34．235,P=0．000,差异具有统计学意义;平均真腔衰减值为（234．02±83．53）Hu,平均假腔衰减值为（238．54±87．40）Hu,经配对样本t检验,t=-0．914,P=0．361,差异无统计学意义;真假腔绝对面积、相对面积与平均衰减值ROC曲线示曲线下面积分别为0．846、0．950与0．525,P值为0．000、0．000、0．092。结论：通过相对面积进行真假腔识别具有极高的灵敏度与特异度,同时结合影像学征象可以准确判别。