岩土工程材料的数字图像有限元解析

随着科学技术的不断发展与进步，越来越多的高新技术和先进的理论被应用到岩土工程建设当中去，提出了一个全新的理论研究课题——岩土工程材料的数字图像有限元解析，从而实现提高岩土工程材料的利用率的目的，提高经济效益，扩大生产力。本文首先介绍了数字图像的概念与岩土工程的发展，然后分析了岩土工程建设中所使用的工程材料类型。探讨了数字图像在岩土工程材料中的应用，对岩土工程材料结构进行了分析，最后阐述了有限元网格的形成。     

复杂地质条件下初始地应力场模拟的数值流形方法研究

数值流形方法分析岩土工程问题使用初应力模块施加初应力,但初应力在分析初始阶段易发生消散,无法有效保持.针对深埋问题本文提出在模型边界施加面力的方法来保持初应力.通过对均质各向同性、均质各向异性、非均质材料体进行验证,证明了所提方法的可靠性,随后将其运用于含裂隙复杂地质条件下初始地应力的模拟,并于UDEC计算结果进行对比.分析结果表明,该方法对数值流形方法的初始应力保持中具有积极效果,为采用数值流形方法开展数值模拟提供了有效支撑.     

用于非均质复合材料应力分析的交错网格有限体积法

针对非均质复合材料的应力问题,发展了一种交错网格有限体积法(SCV-FVM)。该方法基于非结构网格离散线弹性平衡方程,采用交错网格技术将材料的空间变化引入离散过程,从而不需要显式处理复合材料交界面。用SCV-FVM对宏观非均质复合材料应力场进行了数值模拟,结果与理论解吻合良好。与其他数值结果的对比表明,SCV-FVM能够避免材料物性突变引起的牵引力方向的应力数值波动及不连续现象,但是难以捕捉垂直于牵引力方向的应力跳跃现象,可以通过加密交界面网格来改善计算结果。用SCV-FVM对微观非均质复合材料应力场进行了数值模拟,结果不存在由物性参数空间变化引起的数值不连续现象及应力集中现象,表明SCV-FVM适合对微观非均质材料进行应力分析。     

数字图像处理技术在混凝土渗流分析中的应用

采用图像数字化处理技术来反映混凝土内部的砂浆、骨料的分布情况,根据生成的数字图像文件,结合数值分析方法,基于Comsol耦合分析程序,可以得到混凝土材料的非稳定渗流过程.数值分析结果表明,该方法是可行且有效的,能反映混凝土非均质材料的真实物理过程.     

基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

岩土材料CT图像的数字图像相关法

为探索实现数字图像相关法对岩土材料CT图像的分析计算,借助可进行原位单轴压缩的CT扫描实验系统,实时记录了石膏试样在不同应力水平下的CT图像,比较了采用不同相关系数、不同子区大小进行图像相关计算时的搜索匹配精度.针对子区线性小变形特点,利用最小二乘拟合得到位移场表达式,求导得到应变场,提高了应变计算的精度.分析结果反映了岩土材料内部非均匀变形的特征,揭示了单轴压缩下张拉破坏的特征.研究结果表明:采用数字图像相关法可以利用岩土材料CT图像求得其内部变形场.研究结论为提高求解效率和精度提供了参考.     

岩土工程应力、应变增量方向一致性问题研究

岩土工程研究的重要对象岩土具有非连续、非均质、各向异性的特点,所以在对岩土工程的分析中,应力、应变的关系始终是一个重要问题。传统分析方法简单的认为塑性应变增量方向唯一的取决于应力状态,而与应力增量无关。文本拟通过理论推导来证明在实际岩土工程中应力和应变增量方向存在着不一致性,并试着对未来应力、应变增量方向的研究方法进行了展望。     

基坑支护结构稳定性评价方法对比研究

地质条件的复杂性与岩土材料的非均质性使得岩土工程问题本身具有较强的随机性和模糊性,传统设计中以安全系数评价基坑稳定性的方法存在不可避免的缺陷,将不确定性分析引入基坑工程稳定性问题的研究是一种必然趋势。结构可靠度理论考虑了参数的随机性特点,能够比较客观地反映结构的安全状态,而模糊随机可靠度理论同时考虑了问题的随机和模糊性特点,显然是对基坑稳定性评价最为科学、全面的方法。通过对某一土钉支护基坑工程实例抗滑移稳定性的安全系数法、结构可靠度法和模糊随机可靠度法的研究,揭示了三种方法的内在关联,探索了相关规律,可以为类似相关工程实践提供一定的理论参考依据。     

单轴压缩下岩石材料体积效应的数值模拟

为了探讨体积对岩石材料强度和变形及其破坏形式的影响规律，从岩石材料的非均质性出发，应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D对同长径比不同体积的岩石进行了单轴压缩下的数值模拟研究，模拟结果表明随着体积的增大，岩石的强度呈衰减趋势，但在体积增大某个值以后时，岩石强度便基本趋于稳定，模拟结果和实验结果相吻合。对一组不同均质度系数下岩石材料体积效应的数值模拟结果表明，岩石强度的体积效应根源于材料的非均质性。     

非均质土体稳定性分析的广义极限平衡法及其应用

非均质土体稳定性分析是岩土工程中十分重要且非常复杂的课题，目前既缺乏严密的理论公式，也无统一的实用方法。本文运用拉格朗日乘子法，有机地将传统的极限平衡法与极限分析上限定理相结合，建立了一种既能考虑土料强度非线性特征，又适用于非均质剖面等的土建筑物及地基稳定性统一分析方法即广义极限平衡法，并比较严密地阐明了方法的物理基础与解答的性质。最后简要介绍了这种方法在非均质土坡稳定性、层状地基承载力与挡土墙土压力等方面应用所取得的一些数值结果与结论。     

岩土工程数值模拟方法的发展

随着计算机的发展及其岩土工程领域应用的不断深入,岩土工程数值模拟方法得到了空前的发展。本文对目前岩土工程数值模拟方法进行了简要的介绍和评价,可供相关人员在岩土工程数值模拟方法时参考。     

基于反演分析的综合侧压力系数的矿井有限元模拟分析

本文对岩土工程中岩土材料的不确定性进行了分析,从岩石力学系统的角度对工程中材料参数取值的不合理性进行了概述,提出从系统的角度对岩土材料参数进行反分析而得到反映系统力学行为的"材料综合参数"。然后本文利用有限元加神经元网络的反分析方法对一矿井的侧压力系数进行了反分析,并对矿井在开挖过程中的受力进行了有限元分析,得到了对矿井施工具有一定指导价值的结论。     

泡沫铝微结构及其分布特性的数字图像分析

采用数字图像处理技术和工具对泡沫铝微结构的数字图像进行处理，以找出泡沫铝的主要微结构参数的统计分布规律，进而从微结构的角度推断泡沫铝的宏观性能，以期为制备工艺的改进和材料与结构的优化设计提供有益的参考，本研究得出了泡沫铝孔径、孔隙率的统计分布规律，研究表明，数字图像分析有助于从微结构的角度推断泡沫铝的宏观性能。同时也是进行数值模拟计算的必要准备，文章最后展望了泡沫铝微结构三维数字图像分析的应用前景。     

基于有限元神经元网络反分析侧压力系数的矿井有限元模拟分析

对岩土工程中岩土材料参数的不确定性进行了分析,从岩石力学系统的角度对工程中材料参数取值的不合理性进行了概述,提出从系统的角度对岩土的综合材料参数进行反分析,从而得到对实际工程具有应用价值的"综合参数".在利用神经网络的反分析矿井的侧压力系数的基础上后,利用大型有限元软件ADINA对矿井的受力和变形进行了分析,得出了对实际工程由一定价值的结论.     

考虑应变软化和剪胀特性的软岩洞室稳定性分析

岩土材料的复杂性使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性.无数试验和实际工程表明,莫尔—库仑准则能较好地拟合试验结果和可靠地应用于岩土工程实践.数值模拟可充分发挥主观能动性,采用考虑应变软化和剪胀特性的莫尔—库仑模型进行软岩隧洞的稳定性模拟,以达到更精确地对工程实例进行数值模拟分析的目的.     

基于有限元法的垂直地埋管换热器传热研究

根据能量守恒原理,对地埋管换热器建立二维传热模型.运用Ansys热分析软件,采用热传导的有限元瞬态分析方法,对地源热泵垂直埋管与回填材料及岩土间的传热进行数值模拟与分析.根据合肥地区某住宅的地源热泵工程的相关设计资料,分析了垂直埋管在岩土中传热的温度场及温度梯度场的影响大小及范围,对地埋管在1个周期运行后对岩土体的温度恢复情况的影响进行了数值分析,结果表明:对于地处夏热冬冷的合肥地区,较适宜应用地源热泵系统,岩土温度的自平衡性较好.     

有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用

有限元极限分析法兼有数值分析法与经典极限分析法两者的优点，特别适用于岩土工程的分析与设计。20世纪初，国内岩土工程界应用国际上通用程序，大力发展有限元极限分析法并拓宽其在岩土工程中的应用。在基本理论研究、提高计算精度、拓宽应用范围及工程实际应用等方面取得了很大成绩。重点介绍作者及其合作者的一些研究成果。主要包括岩土工程安全系数定义、方法原理、整体失稳判据、强度准则的推导、选用及提高计算精度等方面的研究。应用范围从二维扩大到三维，从均质土坡、土基扩大到有节理的岩质边坡与岩基，从稳定渗流扩大到不稳定渗流、从边坡与地基工程扩大到隧道、还用于寻找边（滑）坡中的多个潜在滑面，进行岩土与结构共同作用的支挡结构设计，计算机仿真地基承载板载荷试验等应用项目，以逐渐达到革新岩土工程设计方法的目的。     

关于岩土工程研究中若干基本力学问题的思考

针对岩土工程研究中本构模型,耦合边值方程,非连续变形力学模型,土工抗震 专题总结了其发展现状,指出了有待深入研究的问题,以期理清思路,把握发展动向,有效地运用近代新理论,新方法,新技术,紧密地结合岩土材料与岩土结构的本构特征,把岩土工程研究与设计水平推向新阶段。     

非均质材料的力学性能评价研究

非均质材料是指沿着某一方向其物理、化学、力学等单一或复合性能发生变化,以适应不同环境,实现某种特殊功能的先进材料。文章介绍了非均质材料的主要制备技术及工程应用,论述了非均质材料力学性能评价的基本方法及面临的挑战。     

基于BIM技术的岩土工程信息模型数值计算功能实现方法

当前岩土工程信息模型更多地应用于可视化展示,一直没能深入到岩土工程的实际应用当中,很难直接进行岩土工程专业分析。究其主要原因,是缺乏将岩土BIM模型转换成计算模型的渠道。通过数据转换,研究岩土工程模型计算功能实现方法,建立BIM模型与计算模型间的映射关系,来解决这一难题。考虑岩土BIM模型和有限元模型的特点,根据等效刚度法,研究计算驱动的岩土工程BIM模型的概化方法。针对岩土BIM模型的数值计算功能需求,聚焦计算网格剖分环节,基于开源TetGen程序,对BIM模型进行四面体剖分,发展面向数值计算的BIM模型网格剖分技术。进一步,建立四面体网格模型与计算模型的信息一一映射关系,实现BIM软件与岩土工程通用数值分析软件之间的数据转换和信息交换,打通了复杂岩土BIM模型向计算模型转换的关键环节。最后,通过两个工程实例验证所提出的岩土BIM模型计算功能实现方法的可行性与有效性。