凸块体的一种几何建构方法

块体的描述和建构是工程岩体稳定分析过程中不可或缺的重要环节。方程表示是描述和建构工程开挖面上所有可能出现的块体几何模型的有效途径。现有块体建构方法没有采用凸块体方程表示这种途径,其结果虽然可以建构任意复杂的块体,但由于缺少配套的参数化描述方法,所建构的块体难以得到精确的几何描述。为此,提出凸块体的一种几何建构方法。首先,建立了以边界平面的单位外法向量和原点距为输入变量的凸多面体的一种方程表示形式;其次,给出了凸多面体方程的基于单纯形方法的一种求解算法,以及输入变量的辨识方法;最后,引入控制变量,建立了凸块体的几何建构方法。通过算例,演示了工程开挖面上所有可能出现的类型、任意形状和大小的凸块体的参数化描述能力和几何建构能力。

隧洞入口非凸关键块体识别研究

隧洞入口处往往是地下岩体工程事故的多发区,也可能存在同时跨隧洞顶板、侧壁和入口边坡面的非凸关键块体,经典块体理论中的凸块体有限性判定定理不适用于非凸块体。在经典块体理论的基础上,笔者针对临空面之间含有凹状组合时需要进行并集运算的特征,提出了可以同时表示凸块体和非凸块体的一般符号表示方法,然后根据一般块体的构造定理,推出了用所有子块体是否有限来判断非凸块体有限与否的识别准则,进而枚举分析出系统中的所有有限凸块体,并按照结构面编码相同的原则组合出所有可能的有限非凸块体,同时沿着凹状相交的临空面逐次切割非凸块体,可以得到仅在切割面处相连接的非凸块体的子块体最优组合,从而可以实现隧洞入口处非凸关键块体的识别。这个方法的理论意义在于从凸块体到非凸块体扩展了块体理论的应用范围,在实际工程中又具有一定的实用价值。

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。

三维距离势离散单元法

通过定义距离势函数,提出一种适用于空间任意凸多面体单元的三维距离势函数离散单元法。该方法采用归一化的计算方式,将势函数表征为接触体间的距离函数,并基于此建立接触力计算方程,明确了势函数的物理意义,使接触力计算更加合理,无需对各种可能的接触形式进行差异化处理。新方法克服了原有势函数物理意义不明、接触力计算受单元形式影响等重要缺陷,并突破了四面体单元的限制,可采用空间任意凸多面体单元。通过若干算例说明新方法的正确性和有效性。数值模拟结果表明新方法能够很好处理空间任意多面体单元复杂接触变换过程,准确处理复杂非连续介质的运动过程。