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     

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。     

采用复合单元法模拟裂隙多孔介质变饱和流动

采用复合单元法建立了模拟裂隙多孔介质变饱和流动的数值模型。该模型具有以下特点：裂隙不需要离散成特定单元，而是根据几何位置插入到孔隙基质单元中形成复合单元；在复合单元中，分别建立裂隙流和孔隙基质流的计算方程，二者通过裂隙?基质界面产生联系并整合成复合单元方程；复合单元方程具有和常规有限单元方程相同的格式，因此，可以使用常规有限单元方程的求解技术。采用欠松弛迭代、集中质量矩阵以及自适应时步调节等技术，开发了裂隙多孔介质变饱和流动计算程序。通过模拟一维干土入渗和复杂裂隙含水层内的流动问题，验证了该模型的合理性和适用性。模拟结果为进一步认识非饱和裂隙含水层地下水流动特性提供了理论依据。     

不连续岩体扩展有限元法的前处理

扩展有限元法是针对不连续问题提出的一种改进的有限元法,由于其计算网格独立于结构内不连续面,该方法十分适用于处理不连续问题,因此,该方法需能将不连续面和计算网格的几何信息转化为计算分析所需的单元拓扑信息的前处理。针对扩展有限元法在不连续岩体问题中的应用,系统地研究了二维扩展有限元解决不连续问题时单元拓扑信息生成等前处理问题,给出了单元拓扑信息自动生成算法,将不连续面和计算网格几何信息转化为计算所需要的单元拓扑信息,并在此基础上开发了不连续岩体二维扩展有限元法前处理程序。结果表明该算法和程序的适用性和正确性,同时还表明扩展有限元法在不连续岩体问题求解中有较好的应用前景     

双参数地基上弹性板的动力分析

采用双参数地基模型和基于Mindlin板理论的8节点等参单元,根据Hamilton变分原理,推导了弹性地基上弹性板动力分析的有限元公式,将地基效应和板面质量分布归并到板的刚度矩阵和质量矩阵中,采用边界元法考虑板域外地基变形的影响。分析了四边自由矩形板的自由振动和强迫振动,计算的自由振动固有频率与实测结果相近,发生共振时板的强迫振动动力响应达到峰值,在给定的阻尼比条件下,无阻尼的稳态响应与有阻尼的稳态响应趋于相同,阻尼能够显著降低板的共振响应。     

岩质边坡动态开挖模拟的复合单元模型

复合单元法是一种具有高效建模能力的数值模拟方法,适合用于岩质边坡的动态设计,能够实现模型中结构面、加固措施和开挖面三部分的快速调整。目前复合单元法已经完成对结构面和加固措施的模拟,但还未实现对开挖面及开挖过程的模拟。针对该问题,借鉴复合单元法中结构面模拟的方法,同时结合新的开挖算法,建立了复合单元开挖模型,并使用FORTRAN语言编制了相应的程序。基于边坡开挖算例,与有限元结果的对比,验证新方法的可行性。     

节理岩体的三维阶谱复合单元法初步研究

阐述了节理岩体复合单元法基本原理,引入了阶谱有限单元法中的虚节点和广义节点概念,提出了覆盖虚棱（面）和广义棱（面）的概念,并进一步将虚节点和广义节点分类。在此基础上构造了节理岩体的三维复合单元不同阶次时的位移函数并推导了对应的刚度矩阵。算例表明此法是合理有效的。提出的概念有助于复合单元法和传统有限单元法二者升阶谱的理解与统一实现,并为实现节理岩体三维复合单元法的P型自适应奠定了基础。     

地下工程渗流排水孔数值模拟的隐式复合单元法

根据渗流基本原理,提出了排水孔在地下工程中渗流数值模拟的隐式复合单元法。将排水孔隐含于模型网格中,得到排水孔在模型中的数据信息。判断所有排水孔与单元的相对位置,通过修正排水孔所穿过单元的渗透传导矩阵来模拟排水孔的强排水效果,并通过实例对排水子结构法和隐式复合单元法进行了比较。运用编制的三维有限元计算程序对某地下水电站厂房渗流场及排水孔进行了模拟,结果表明,采用隐式复合单元法对排水孔进行模拟是可行的。     

自由渗流面及渗流量推求的数值计算方法探讨

自由渗流面具有复杂的非线性,较难确定。本文采用开源地下水数值模拟程序MODFLOW及SUTRA,分别运用MODFLOW模型中干湿单元转化技术、SUTRA模型中单元渗透矩阵调整法以及本文建立的缓变渗透系数矩阵法推求自由渗流面。对比其求解结果表明,采用MODFLOW运用干湿转化技术求解自由渗透面的方法稳定性最好、精度最高,而采用缓变渗透系数矩阵法的SUTRA程序,改善了传统单元渗透矩阵调整法的不稳定性,提高了数值计算精度,避免了MODFLOW必须矩形网格的局限性,是一种实用的计算自由渗流面及估算地下水与河流水量交换量的方法。     

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

深埋隧道地震动力响应的复反应分析

复反应法是用来分析地震动力作用下岩土体动力性质的有限元方法之一。这种方法的主要特点是引入复模量概念, 使材料的阻尼比与频率无关, 这样能更好的模拟岩土体的动力性能。本文结合在建的某公路深埋隧道, 分析了隧址区山体的地震动作用特点, 探讨了隧道埋深与地震作用强度之间的关系。     

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。     

水平层状场地自振频率的剪切质点系法研究

场地土层的自振频率是场地土的重要动力特性之一。为避免结构物与场地地基的共振效应,工程设施的固有频率应尽量避开地基的固有频率。在传统的基于集中质量矩阵的剪切质点系法（集中质量法）的基础上,发展了基于一致质量矩阵的剪切质点系法。在此基础上,对利用剪切质点系法求解水平层状场地自振频率的精度的影响因素进行了分析,主要考虑了土层分层特性、质量矩阵形式以及材料阻尼3个影响因素,分析表明：分层数越多,计算结果越接近真实解,从实际工程角度出发,分层数超过三层时可不再细分;在层数相等的情况下,层厚对计算结果精度的影响甚微;一致质量法的计算结果要优于集中质量法,且表现出上限解性质;在通常小阻尼情况下,阻尼对自振频率的影响很小。     

Extended Finite Element Method for the Analysis of Discontinuities in Rock Masses

The strength and deformability of rock mass primarily depend on the condition of joints and their spacing and partially on the engineering properties of rock matrix. Till today, numerical analysis of discontinuities e.g. joint, fault, shear plane and others is conducted placing an interface element in between two adjacent rock matrix elements. However, the applicability of interface elements is limited in rock mechanics problems having multiple discontinuities due to its inherent numerical difficulties often leading to non-convergent solution. Recent developments in extended finite element method (XFEM) having strong discontinuity imbedded within a regular element provide an opportunity to analyze discrete discontinuities in rock masses without any numerical difficulties. This concept is based on partition of unity principle and can be used for cohesive rock joints. This paper summarizes the mathematical frameworks for the implementation of strong discontinuities in 3 and 6 nodded triangular elements and also provides numerical examples of the application of XFEM in one and two dimensional problems with single and multiple discontinuities.     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。