模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型. 一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂. 借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

离散颗粒流动堆积行为离散元模拟及实验研究

工程应用中存在许多颗粒流动堆积问题.首先设计了一系列测量方法,通过大量的实验和统计分析,得到了颗粒的多种物理参数.并以工程中高炉炉顶称量料罐为背景,采用离散元方法模拟不同物理条件下离散颗粒的流动堆积行为,得出料罐内颗粒系统中颗粒之间力的分布不均匀,而且强力链分布主要与料罐的左下壁方向平行.同时,设计并制作了具有多参数调节的离散颗粒料罐实验模型,进行了相应的物理实验,实测结果与数值模拟吻合良好.     

激光破坏机理研究的一个新进展

当入射激光的波长、辐照时间、平均功率密度保持相同的条件下，改变激光的时。空结构会产生不同的破坏模式，在上述激光基本参数不变时，如何合理选择激光的时。空分布以便达到最佳的破坏效果，这类问题可称之为激光破坏机理研究中的反问题。迄今为止，人们对这一“反问题”的研究甚少。本文利用非高斯空间分布激光辐照黄铜薄片材料，产生了一种特殊的破坏模式──反冲塞效应，并对此进行了较系统的实验与理论分析，激光破坏反问题的提出和初步探索是研究激光破坏机理的一个新概念和新进展。     

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.      

汶川地震诱发大型滑坡分布规律研究

2008年5 ·12汶川地震由于其超常的地震动力,触发了数百处大型滑坡灾害。本文以遥感解译所获取的汶川地震区112处面积大于50000m²大型滑坡的基本信息为基础,结合代表性大型滑坡实例的现场调绘,对汶川地震诱发大型滑坡的发育分布规律进行了较系统的研究。结果表明,汶川地震大型滑坡分布除表现出与汶川地震诱发区域性地质灾害类似的分布规律之外,因主要源于发震断层瞬间大幅度错动的直接地震动力引发的大型滑坡,其发育分布及滑动、运动方式还表现出自身的特点,具体可归结为以下几种效应: (1)距离效应:约80%的大型滑坡集中分布于发震断裂地表破裂带两侧5km的范围内,距离越远,滑坡分布数量越少; (2)锁固段效应:汶川地震诱发的大型滑坡主要集中分布在与发震断裂的交叉、错列、转换部位及NE段末端等5个集中区段。其中,红白-茶坪段是大型滑坡最为集中发育段,不仅滑坡数量多,而且规模大,汶川地震诱发的最大两处滑坡均分布于此段。其次为断裂NE段末端的南坝-东河口段,该段大型滑坡密集发育,东河口滑坡和窝前滑坡等大型滑坡均出露于此段; (3)上下盘效应:绝大多数(>70%)大型滑坡都位于活动断裂的上盘,存在明显的"上下盘效应"; (4)方向效应:在与发震断裂带近于垂直的沟谷斜坡中,在地震波传播的背坡面一侧的滑坡发育密度明显大于迎坡面一侧,存在"背坡面效应"。同时,大型滑坡的滑动及运动方向还与各区段断层的错动方向有一定的相关性。在断层活动以右旋走滑为主的青川境内,有相当数量的滑坡表现出向NE方向滑动和运动的特点。     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

地震边坡失稳机理及稳定性分析

通过对汶川地震边坡调研,发现大量边坡破坏形式为坡顶拉裂、下部坡体剪切破坏。本文利用有限差分程序,从边坡土体的应力状态出发,通过监测边坡土体的状态、位移和剪应变增量变化等,分析了岩土体在静力、横向地震和耦合地震作用下的破坏过程,发现坡顶附近发生张破坏,以下部位发生剪切破坏,而非传统的地质工程观点——地震边坡破坏主要是地震惯性力造成的剪切破坏。并提出一种新方法——关键点相对位移法,来判断边坡的动力稳定性,数值模拟结果与已有研究成果及震后灾害调查结果具有良好的一致性。     

大型反倾库岸岩体变形过程及破坏机制数值模拟

随着边坡地质结构、地层岩性和诱发因素的不同,反倾岩体的主控变形破坏模式都会发生改变。金沙江龙蟠边坡岩体主要为反倾向千板岩和砂岩互层状结构,坡脚河床深厚覆盖层构成了边坡的软弱支座。本文运用离散单元法模拟了大型反倾库岸岩体在漫长的地质历史时期中的变形演化过程,并基于反倾岩体变形的时效性观点,引入强度折减法分析边坡在不同阶段的剪切屈服区扩展情况及相应的稳定性状态。结论表明龙蟠边坡变形岩体是重力弯曲蠕变为主导的成因机制,并归纳提出了软基效应和互层效应共同作用下的大规模反倾岩体的累进性剪切破坏模式,俗称“龙蟠模式”。     

高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟

道砟振动对其磨损、破碎和道床累积变形有显著影响,为揭示高速车辆移动荷载作用下道砟动态响应特性,建立有砟道床离散元模型,开展车辆-轨道耦合动力学计算得到离散元模型输入荷载,模拟分析高速车辆以不同速度通过时有砟道床的振动响应,并与车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比分析。结果表明,轨枕、道砟和道床块振动位移波形相似,位移幅值沿道床深度方向减小,道床块振动位移与轨枕底面以下0.3m处道砟的振动位移相当;轨枕、道床块振动速度与加速度随行车速度提高而增大;受道砟颗粒间复杂相互作用的影响,道砟振动加速度会出现突变。道床离散元模型能合理反映道砟颗粒的振动响应特性,道床块模型体现了道床层在有砟轨道结构中的动力传递与减振特性,两种道床模型的计算结果具有一定的相似性。     

三峡库区康家嘴滑坡破坏过程及演绎研究

三峡库区康家嘴滑坡是在其老滑坡泥石流的前缘堆积扇体中形成的新滑动变形体。滑体表面为第四纪风化土层,滑带为灰绿色粉质粘土或粘土,在降雨与库区蓄水的周期性浸泡作用下,饱和后蠕滑变形,处于欠稳定-极限稳定状态,亟需整治。本文针对其破坏过程及形态加以详细描述,并对滑坡的阶段性演绎过程加以追溯。在查清滑坡地质条件与发展趋势的基础上,通过经济对比分析,对康家嘴滑坡不同变形阶段提出了具有针对性的防治方案:在新滑坡体(强变形区)采用抗滑桩+排水沟+局部回填压脚、后部变形体采用抗滑桩+排水沟。经对滑体计算,该滑坡体处于稳定状态,达到了防灾减灾的目的。     

高边坡岩体渐进性破坏粘弹塑性有限元数值模拟

根据边坡实际地质模型 ,基于弹塑性与粘弹 -粘塑性理论的本构方程 ,通过有限元模拟分析 ,定量地揭示和模拟再现了高边坡岩体破裂、变形、破坏及失稳前后锁固段岩体渐进性破坏的机制和过程 ,探讨了高压水流作用下滑坡启程剧动的破坏机理。     

离散元法及其耦合算法的研究综述

介绍了离散单元法的基本理论及其研究现状,以及离散单元法与有限单元法、边界单元法、界面单元法等数值计算方法耦合的研究现状和最新进展,并讨论了离散单元法今后的发展趋势及亟待解决的问题.     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

强震条件下双面坡变形破坏机理的振动台物理模拟试验研究

5·12汶川地震引发了数以万计的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。为了研究双面坡在强震条件下的动力响应规律,本文在大量野外调查的基础上,采用振动台物理模拟试验手段,设计完成了四类11个模型试验,从改变模型的坡度和坡顶宽度、软岩硬岩结合、阶梯状坡形等角度,较系统地研究了双面坡在强震作用下的响应规律。试验结果显示：强震条件下地震水平惯性力是导致边坡破坏的主要原因; 在地震情况下边坡变形破坏表现出明显的初动破坏效应; 振动过程中双坡具有明显的共剪效应,坡面为阶梯状时其共剪效应更明显; 坡体结构为上软下硬时下部硬岩对振动具有一定的放大效应,上硬下软时坡体易整体偏移产生变形破坏。试验结论与实际情况基本符合。     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为,从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形,道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性,基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元,采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选,建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果,验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上,开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究,分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用,并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°）,道砟的剪切强度被明显削弱;随着振幅及频率的增大,道砟颗粒的剪切强度也会显著降低。该研究表明在实际碎石道床性能评估中,需要更多地关注铁路道砟的动态抗剪性能。

     

崇文门站施工允许地表沉降及三维有限元模拟分析

建设中的北京地铁五号线崇文门站下穿既有地铁一号线区间隧道,为保证既有地下铁道正常运营和地下结构的安全,需严格控制新建车站施工引起的地层位移。结合新建车站暗挖施工及既有线地铁的实际情况,分析和计算穿越既有隧道施工地表允许沉降值。为了控制地表沉降,确保施工安全,拟采用小刚度管棚或大刚度顶管作超前预支护,用3D-S igm a三维有限元软件进行施工效应的计算模拟,掌握大管棚和顶管预支护洞室的力学效应,预测车站施工引起既有隧道的沉降量。最后分析比较两种预支护的支护效果,为选择合理的预支护方案提供参考。     

世寿街滑坡发生机理与防治对策

世寿街滑坡位于沱江下游河口段右岸。形成的主要因素是斜坡体内广布极易滑的粉质粘性土层、江水周期性的浸泡、冲刷、以及人为加载和生产、生活活动。呈现牵引—推动的复合发生机理。由于滑坡区为综合房地产开发之用 ,滑坡防治不仅要考虑滑坡本身的稳定 ,而且还要考虑滑体上各种建筑物的安全运行。采取了主要因素控制法。     

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法. 为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析. 采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律. 最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.      

压电板屈曲和后屈曲的有限元分析

采用板的一阶剪切理论,并考虑结构的几何非线性,基于Total Lagrange方法,建立了在弱非线性耦合假设下压电智能结构的有限元控制方程.分析了不同边界条件下压电板的屈曲和后屈曲.计算结果表明,在单向压力作用下,材料的压电效应和外加电压对板的屈曲载荷及后屈曲影响很小;而电场对位移加载简支板的屈曲影响较显著.该文为压电材料的工程应用提供了理论指导,同时提供了一种有效的有限元分析方法.