三维非连续变形分析方法中摩擦接触问题的研究

采用罚方法将界面约束引入三维块体系统非连续变形分析总体平衡方程,详细推导了摩擦接触子矩阵并给出了接触状态(张开、滑动和固定)模式变化准则及开-闭迭代操作。物理模型试验和节理岩体边坡楔形破坏的仿真模拟表明,该方法是有效的。

三维非连续变形分析方法中的锚杆模拟

提出了三维非连续变形分析方法中锚杆的简化模型，给出了相应的算法和公式。算例表明，该模型能较好地反映锚杆的加固效果。

三维非连续变形分析方法的变分原理及应用

根据三维非连续变形方法的特点及相应的位移模式，详细推导了基于变分原理的非连续变形方法的理论计算公式，建立了三维非连续变形分析方法的理论体系和控制方程，并给出了相应的公式和算例。

分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用

深部采煤面临高地温、高地压、高岩溶水压及开采扰动的综合影响,岩石的非连续变形及破裂行为也比浅部更为复杂,开发模拟岩石破裂行为的数值计算方法,进行从实验室尺度到工程现场尺度的分析是研究岩石破裂相关灾害规律和机理的重要手段。非连续变形分析方法 (Discontinuous Deformation Analysis,DDA)在接触理论、块体积分、计算收敛中具有严格的数学基础,采用子块体剖分和黏结处理的DDA模型可以有效模拟岩石及裂隙岩体从连续弹性变形到渐进断裂和完全破断的全过程。基于边-边黏结效应分段线性表征的朴素思想,提出分段式边-边黏结模型,将线性及非线性黏结本构关系通过分段中心点处的成对罚弹簧进行等效表征,嵌入三角形剖分的非连续变形分析求解框架内,实现模拟岩石断裂的优化DDA模型。通过简支梁中心受压、单轴压缩、巴西劈裂案例的变形、应力结果分析,验证了优化模型的准确性,获得了边-边黏结模型中分段数目、黏结刚度比、切向法向刚度比等参数的合理取值范围;通过完整及带孔洞的砂岩试样的单轴压缩试验,阐明了块体弹性模量、泊松比等变形参数及黏结单元抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数的赋值方法,验证了优化模型在应力-应变曲线,裂纹起裂位置捕获的准确性;通过含单裂隙及组合裂隙的砂岩巴西圆盘劈裂试验的分析,验证了优化模型在裂纹起裂、裂纹扩展、多裂纹交汇等复杂裂隙扩展问题中的适用性;采用分段式边-边黏结的优化模型可推广用于包含复杂裂隙网络的岩体破坏规律和机理的分析。

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法(DDARF)对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷——赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率cR及裂隙减少率rR两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明:采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据cR及rR两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为cI cII cIIIR?R?R,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的cIR仍然是裂隙率最小的cIIIR的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆(索)非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。

非连续变形分析方法中人为参数的影响

非连续变形分析方法(DDA)自创立以来,已在分析不连续体的大变形、大位移的问题中显示了其优越性。但DDA方法需要人为设置一些控制参数,通过一个简单的滑块模型,分别采用不同的时步大小、不同的接触弹簧刚度、并比较相对误差,分析了人为设定的参数对DDA计算结果的影响,指出仅在合理的取值范围内,大时步和大的接触弹簧刚度才能产生较好的计算结果;同时对造成这种影响的原因做了一定的探讨,并建议了参数取值的上下限原则。

基于非连续变形分析方法的爆破荷载下不同类别岩体的动力响应

鉴于工程岩体的不连续性,将爆破荷载进行简单等效之后,将非连续变形分析方法引入研究爆破荷载下不同类别岩体的动力响应问题。分析结果表明,不同坚硬程度和不同完整程度的岩体中爆破荷载的动力响应区别明显,坚硬程度愈高,完整程度愈好,则同样距离情况下岩石的起始振动时间愈早,振速峰值愈高。

采用非连续变形分析方法分析巷道的稳定性

用改进的非连续变形分析方法对某巷道进行了稳定性分析。采用考虑空间影响的等效初应力方法分析了巷道的开挖,并与忽略空间作用的方法进行了对比。结果表明,在工程中垂直于平面的应力或应变比较大时,空间作用不能忽略。然后将改进后的SSOR-PCG方法加入到非连续变形分析程序中,节省了方程的计算量,加快了计算效率。此外,采用改进后的程序分析了某工程六种不同断面形状的巷道的位移场和应力场,得到了巷道的最优断面为直墙半圆拱形断面。另外,通过对工程关键点位移的监测分析了预应力锚索对巷道围岩的加固效应,得到了锚索的长度为3 m,施加预紧力为150 MPa为巷道最优支护方式,可提高巷道围岩的稳定性。

岩土工程非连续变形的数值分析方法

以阐述岩土工程中数值分析方法的发展趋势为目的,回顾了非连续变形数值分析方法的发展历史,系统综述了节理单元法、离散单元法、刚体弹簧元法等具有代表性的几种方法的基本理论、求解过程、适用范围和优缺点,为今后的研究提供参考.

非连续变形分析方法的改进及应用

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现.其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征.研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳.改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.

三维DDA与有限元的耦合分析方法及其应用

发展了三维不连续变形分析(DDA)与有限元(FEM)耦合计算的力学模型。通过对三维块体进行有限单元网格剖分,采用有限元法来求解块体内部的位移场及应力分布,块体边界之间的接触则采用DDA方法来模拟,基于最小势能原理建立了三维DDA-FEM耦合方法的总体平衡方程,并详细推导了接触矩阵的表达式。在此基础上编制了相应的计算程序并将其应用到混凝土基础与地基相互作用的变形分析。计算结果表明了该耦合方法的有效性。

三维块体系统非连续变形正分析模型

将非连续变形分析方法推广至三维,在一定的线性位移模式下,按最小势能原理建立三维块体非连续变形正分析模型,详细推导了荷载子矩阵、惯性子矩阵、位移约束子矩阵和接触子矩阵,给出了相应的公式和算例。

三维非连续变形分析(3D DDA)理论及其在岩石边坡失稳数值仿真中的应用

在3D DDA中,分析的块体是由岩体内部实际存在的不连续面切割而成。在计算过程中,利用块体的几何关系正确地寻找出可能产生接触碰撞的块体,并在块体接触时利用接触弹簧来评估接触面法线方向的接触力;另外,在剪切方向则遵守摩尔-库仑破坏准则,最后以独创的开合迭代方法来保证每一计算步长具有较准确的接触力和解算的收敛性。计算的结果与位于日本天鸟桥西的现场监测影像进行对照后发现,此新计算法可以高精度地预测岩体失稳过程。

三维块体不连续变形分析理论简析

详细论述了三维不连续变形分析理论建立的全过程，并就ＤＤＡ实施过程的几个关键问题进行讨论，给出相应的公式。

三维连续与非连续变形分析

将石根华博士所提出的二维非连续变形分析——Discontinuous Deformation Analysis（DDA）方法扩展到三维情况,并对三维不连续块体进行有限元网格剖分,即块体之间的接触采用DDA描述,块体内部的位移场和应力场则采用有限单元法描述,从而将三维DDA与有限元方法结合起来,增强了DDA方法与有限元方法解决实际工程问题的能力,实现了三维连续与非连续变形分析.给出了基本公式的推导过程和各子矩阵的形式.典型接触、碰撞算例证明了所提出方法的有效性和正确性.

基于升降轨SAR数据的连续箱梁桥精细变形

针对桥梁精细变形监测问题,提出一种考虑由温度引起的桥梁变形(简称温度变形)的升降轨合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)数据融合方法.首先,以连续箱梁桥为研究对象,分别使用升降轨SAR数据集,基于小基线子集干涉测量法(small baseline subsets interferometric SAR,SBAS-InSAR)提取视线向(line-of-sight,LOS)变形;然后,利用最小二乘法构建温度变形模型,分离周期性温度变形与长期性趋势变形;最后,结合桥梁结构特征,基于时空插值和奇异值分解方法实现升降轨数据融合,提取温度变形、纵桥向(即桥梁延伸方向)及垂直向趋势变形,分析桥梁变形机制及变形成因.结果表明,该方法可提取精确的桥梁温度变形及三维变形,为桥梁健康监测提供可靠的方法支撑.

三维DDA方法的验证及其在隧道围岩垮塌控制中的应用

为准确模拟隧道围岩垮塌灾害演化过程与锚杆加固处置,通过嵌入锚杆支护算法实现了三维非连续变形分析方法(DDA)中的锚杆支护模拟.首先,介绍了三维DDA方法模拟块体运动的基本原理,提出了三维DDA方法中锚杆支护算法;其次,针对隧道围岩垮塌灾害中的不同运动模式,采用三维DDA方法模拟了块体滑移、转动以及碰撞过程,验证了三维DDA方法模拟块体运动的准确性;最后,采用三维DDA方法模拟了工程尺度的节理岩体隧道围岩垮塌过程.结果表明:无支护条件下隧道洞周块体垮塌高度为3.9 m,洞周块体位移呈现出明显的各向异性特征;有支护条件下隧道洞周块体保持稳定状态,隧道左拱肩部位锚杆轴力较大,实际施工过程中可增加该区域锚杆长度.

利用连续变形技术的三维点云简化方法

针对曲率变化较大的三维点云表面模型简化方法中容易出现失真的问题,提出了一种利用连续变形技术的三维点云简化方法。算法采用包围盒法构造分割面,分割面将三维点云处理成按扫描线存储的"结构化"测量点集;逐线生成点集的凸包多边形,按一定准则将剩余的离散点集归类到对应的凸包边,引入变换程度参数,通过计算离散点的选取时机参数对其进行选取,获得不同简化比率的连续变化的点云简化模型。随后以右心室、佛像、雕刻面板为典型实例,分别对具有不同表面特征的三维点云模型进行了简化验证,并通过移动最小二乘曲面,评估简化曲面的误差。结果表明,该方法能够有效地简化三维点云,对曲率变化比较大的表面仍然能很好地保留原始模型的几何特征。

基于三维非连续变形分析的西藏高原岩质边坡失稳破坏研究

根据西藏高原岩质边坡监测资料及失稳启动特征,对岩质边坡进行分类,总结其失稳条件及破坏的基本规律。将一般接触理论引入三维非连续变形分析(3-D DDA),使得三维块体系统内部复杂接触的几何和拓扑计算转化为便于编程的代数运算,发展适用于三维岩质边坡失稳破坏分析的3-D DDA方法。将岩质边坡块体运动细分为滑动、斜抛或自由落体、弹跳或碰撞、滚动或倾倒等基本运动形式,验证3-DDDA计算精度。通过工程实例,研究西藏高原岩质边坡失稳特征、破坏过程、块体运动形式转化及失稳破坏范围。结果表明,3-D DDA可精确模拟高原岩质边坡失稳破坏,是岩质边坡破坏分析的有效工具。同时,为高原地区岩质边坡的稳定性评价和防灾减灾提供依据。

块状结构岩体在一般水压分布模式下的不连续变形分析

提出了三维不连续变形分析方法中地下水压力的模拟方法。并通过钻孔水位观测数据插值拟合地下水位面,建立了作用在任意形状块体单元表面上的一般水压分布模式,利用最小势能原理推导了水压力荷载对三维不连续变形分析方法总刚矩阵的贡献。地下水对滑坡稳定性影响的算例分析表明该方法是有效的。