耦合无网格法的非连续变形分析法研究

非连续变形分析法(DDA)的线性位移模式,仅能描述常应变块体单元,实际应用中往往显得不够精确,有时甚至会引起很大的误差。为此近来先后引进诸多改进方法,如直接提高块体位移模式的阶数、在块体内部划分子块体并增设节理单元以及采用有限元插值等,也都存在缺陷。无网格法具有许多有效的插值模式,尝试引进无网格迦辽金中采用的移动最小二乘法(MLS)插值,来表达块体位移及应力场,为此在块体内布置离散的插值节点,用MLS建立块体内任意点位移近似函数代替原DDA位移表达式,并遵循原DDA的一些基本过程,包括:根据能量极值原理建立平衡方程、隐式求解、按时间步迭代统一求动静力问题、根据开合迭代模式检查可能接触类型等。数值算例表明,耦合无网格法的DDA能有效计算块体应力场,对块体系统的计算结果明显优于原线性位移模式。

变形分析法在计算覆岩导水裂缝带高度的应用

水体下采煤安全性分析主要在于对煤层下覆岩导水裂缝带高度的确定,变形分析方法是根据工作面推进过程中引起的上覆岩层水平拉伸变形的大小,结合该岩层的力学性质来判断该层是否导水,从而确定导水裂缝带的顶点。通过泾河下特厚煤层综放试验研究成果验证其可行性。

块体系统不连续变形分析(DDA)方法评述

该文根据近年来相关期刊和专著中发表的有关文章,就近年来发展起来的一种全新的非连续介质计算方法———块体系统不连续变形分析(DDA)方法的基本理论、求解方法、工程应用情况作系统综述,并对该方法存在的问题和发展方向进行了探讨。

基于颗粒非连续变形法的路基桩网结构土拱效应

桩网路基由于其施工工期短和沉降变形小等优点在中国铁路和公路建设中得到了广泛的应用。为研究桩网路基中土拱效应的机理和影响因素,采用非连续变形分析方法(discontinuous deformation analysis, DDA),通过改变路基高度、桩间净距和土工格栅参数建立了九种不同模型。结果表明:数值结果与实验结果吻合良好,验证了非连续变形分析方法在模拟路基桩网结构土拱效应上的可行性;随着路基高度的增加,土拱产生的作用逐渐显著,等沉面高度稳定为0.8~0.85倍桩间净距;桩间净距对桩土应力比峰值时刻有明显影响,随着桩间净距的减小,桩顶接受来自路基荷载传递的压力增大,桩土应力比达到峰值的速度加快。桩间净距的减小会导致等沉面高度的下降;加入土工格栅后,桩网结构所产生的桩土应力比与未加入土工格栅的相比更大,说明土工格栅可有效提高路基强度。

基于节理精细化描述的隧道围岩变形破坏特征分析

福州机场高速二期金鸡山隧道是国内首例双向八车道连拱隧道,隧道区域内节理发育,围岩破碎,隧道围岩稳定性受节理展布特征影响显著。通过对金鸡山隧道中导洞开挖掌子面、区段断面及其他出露区域节理的采集,利用统计分析方法对隧道正洞区域内的节理展布预测;在此基础上,利用非连续变形分析(DDA)法对金鸡山隧道围岩变形、破坏过程进行模拟计算,对隧道围岩变形、破坏的典型阶段进行划分,并指出隧道容易发生变形破坏的部位。最后,将DDA计算分析结果与隧道施工过程中发生的塌方进行比较,两者性态一致,表明DDA法在隧道围岩的稳定性分析基本能够反映隧道真实稳定性,在隧道围岩稳定性分析方面具有良好的应用前景。

离散大块体断裂破坏分析方法研究

一般离散单元计算方法(包括DDA方法)受离散块体低阶线性位移近似的限制,在模拟开裂过程时,需要将大部分实际上连续的区域离散化,离散方式对分析结果有显著影响。为了建模时利用真实结构面来构造块体系统,提高大块体位移应力分析精度,有必要引进新的位移近似假设。本项研究在块体内引入无网格法位移模式,以离散节点位移自由度代替原基本块体自由度,并在此基础上进行块体内非贯穿裂纹扩展和强度破坏分析。为此建立的无网格法裂纹扩展分析算法,采用满足单位分解条件的特殊增强型函数表达裂纹周围应力场的非连续、奇异特性,将对应的扩展自由度动态映射到裂纹周围的节点上,统一按DDA法隐式迭代方式求解,实现块体裂纹扩展和强度分析,相关算例结果显示该算法是合理有效的。

拆除爆破研究中数值分析方法的比较与选择

概述了数值分析法的分类。介绍了平面杆系有限元法、离散元法、数值流形法和不连续变形分析等几种数值分析方法。简单地讨论了平面杆系有限元法的分析步骤以及在拆除爆破中适于解决的问题 ;同时叙述了流形分析中采用的有限覆盖技术。通过分析和比较这几种方法在拆除爆破研究中的应用 ,作者认为 ,当前应用传统的有限元法进行爆破理论研究或拆除爆破模拟存在一些困难 ;离散元法用于拆除爆破理论的研究是可行的 ;

爆炸地震波作用下埋地管线动力反应分析方法

在研究爆炸地震波破坏作用的基础上,理论分析总结了关于埋地管线在爆炸地震波作用下动力反应分析的三种方法,即波动分析方法、管—土相互作用方法和震动—变形模型分析法,并结合算例,用不同的方法对管线受力进行了计算和分析比较,据此优选震动—变形分析法作为爆炸地震波作用下埋地管线动力响应的分析方法。

在役边坡耐久性弱化及整体稳定性影响分析

针对在役边坡长期耐久性能弱化及对整体稳定性影响问题,首先依据混凝土结构耐久性原理,建立边坡支护结构耐久性弱化分析模型,结合室内耐久性加速试验进行验证分析,接着基于混合型非连续变形分析法(HDDA)扩展了锚杆单元连接不同位移模式块体的算法,利用该扩展型混合DDA法结合有限元法以分析耐久性弱化边坡稳定性问题,建立了总体计算基本框架。最后以浙江省某沿海公路边坡为案例进行分析,结果表明:在特定环境条件下边坡多型支护结构物在30~60 a内有锈胀开裂及断裂失效的可能性;假定锚杆不失效时边坡安全系数随年限增加存在一定降幅,而在考虑锚杆陆续失效时边坡安全系数降幅明显,需要提前采取加固措施。此外还表明混合型DDA法建模灵活、模拟结果合理,具有较好的应用价值。

新意法隧道设计施工概述

20世纪70年代中期,意大利的Pietro Lunardi教授开始研究并逐步创立了岩土控制变形分析法(ADECO-RS法),该方法用中文解释为"新意法"。介绍新意法的理论基础、新意法隧道设计施工的基本步骤以及新意法与新奥法的不同之处,为新意法在我国的推广应用提供参考。

新意法及其预约束施工技术

新意法是基于围岩的压力拱理论和新奥法施工理论提出来的,是通过对岩体分类来确定超前支护措施和支护参数的设计方法,其核心思想是通过调节超前核心土的强度和刚度来控制岩体的变形。该方法在欧洲一些国家的大型隧道中广泛采用,在我国仍处在探索使用阶段。在新意法核心思想的基础之上,对几种新意法预约束施工技术如全断面机械预切槽技术、预切成洞衬砌技术、旋喷注浆管棚技术、蜂窝状拱衬砌技术等进行了论述。

地下洞室岩爆预测计算方法综述

地下洞室岩爆的发生直接影响地下工程的施工和威胁施工人员的安全 ,因此 ,进行合理的岩爆预测就显得尤为重要。本文概括介绍了当前地下洞室岩爆预测的计算方法 ,并详细分析了计算方法的适用性和发展性 ,简要提出了在岩爆预测中要注意的几点建议。

岩石变形记忆效应:应用、试验与理论

基于岩石变形记忆效应DME＆DRA法,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国际上及中国台湾的一系列实践应用证明了其巨大的潜力。但是,岩石变形记忆效应的研究和工程应用在中国（除中国台湾外）刚起步,同时,试验及理论的系统性研究整体上落后于工程应用,成为制约DME＆DRA法成熟和普及的瓶颈问题。因此,开展岩石变形记忆效应的应用、试验、理论的研究进展综述具有重要意义。首先给出岩石DME＆DRA法的基本概念,然后给出在国际上的应用实践现状;从7个方面的内容对试验研究进展进行系统性评述：（1）岩石变形记忆DRA曲线特征;（2）岩石变形记忆效应的失忆性;（3）人工记忆与地应力记忆;（4）初始加载保持时间;（5）初始加载重复次数;（6）记忆存在应力区域;（7）三维应力记忆特征;详细探讨各方面成果及不足;探讨了岩石变形记忆效应形成机理的两种认识及相应的理论模型,深入剖析现有研究结论与进展揭示存在的挑战,最终给出研究方向与建议。为推动国内开始开展岩石变形记忆效应的研究与应用提供基础。

基于互补理论的非连续变形分析方法

常规的非连续变形分析法(DDA)采用"开-闭迭代"来处理块体之间的接触,在此过程中引入虚拟弹簧并假设其刚度(罚因子).不恰当的刚度值会导致数值计算方面的问题.为了避免引入罚因子,同时也回避"开-闭迭代",本项研究将DDA在一个时步内的分析重提为一个混合互补问题,并采用路径牛顿法(PNM法)进行求解,通过算例的应用表明该方案是可行的.

非连续变形分析方法变分不等式提法的外梯度法

在非连续变形分析法(DDA)中块体之间的接触约束是通过罚函数法实现的,罚乘子的选择是否合理将直接影响到数值计算能否顺利进行和计算结果是否可信.本项研究将接触力作为独立未知量,采用变分不等式描述典型"角-边"格式接触在切向和法向上必须满足的接触条件,将DDA重构为一个变分不等式问题,然后采用外梯度法(extra-gradient method)进行求解,在避开引入罚乘子的同时也无须进行"开-闭迭代",其表达形式紧凑,求解计算过程可避开大规模非线性方程组的求解,只需进行投影操作,通过算例的应用表明该方案是可行的、且可更高精度地满足接触条件.

隔水关键层下不同开采尺寸对覆岩移动规律的影响研究

导水裂隙带的高度是煤矿在“三下”开采时最关注的因素之一,为了探究隔水关键层下同开采尺寸与导水裂隙带发育高度之间的联系,以邵寨矿作为研究对象,通过变形分析法确定工作面上覆导水裂隙带发育的影响因素,采用数值模拟软件对邵寨煤矿2号煤层开采时不同长度下工作面回采后的覆岩垮落形态进行模拟。研究结果表明,2号煤层上覆厚65 m及112 m的隔水关键层为该煤层的导水裂隙带发育的抑制层,其都由中间一层较坚硬岩层作骨架,上下覆盖各一层软弱岩层而组成。导水裂隙带发育至抑制层时,抑制层抑制了导水裂隙带的纵向扩展,转而倾向于横向扩展,同时增加覆岩的垮落角,当垮落岩体范围超过抑制层的极限跨距时导水裂隙带便会倾向于向上发育扩展;不同切眼长度的工作面其覆岩的跨落仅发生在工作面开采空间范围内,对两侧60 m范围内的覆岩无明显影响;影响整体覆岩运移规律的因素主要为工作面的推进,而当工作面切眼长度小于180 m时,上覆岩层移动主要表现在延安组的垮落,而当切眼长度增加至220 m时,安定组岩层开始随工作面推进加速下沉,但并未完全垮落,切眼长度增加至300 m时,安定组及洛河组在工作面后方120 m处就已经完全垮落。研究结果可以指导矿井在保护隔水层的条件下,合理的设计工作面切眼长度,对于矿井水害防治有一定借鉴作用。

一种基于变形运动矢量分析法的转子耦合故障机理建模

为完善和丰富目前旋转机械耦合故障所普遍采用的数值解法,提出一种松动—碰摩转子耦合故障的建模方法:变形运动矢量分析法。首先,"变形运动"以故障定义变形,然后利用傅里叶级数建立起故障变形和周期信号的关系;其次,"矢量分析"利用动、静两套坐标系建立起故障变形运动和周期性激励力的关系,并在动坐标系中分析故障运动;第三,利用谐波平衡求出解析解。变形运动分析法是一种全新的解析解法,该解法能够对旋转机械耦合故障的发展走向做出理论并整体的把握,在求解过程中能够从机理上解析耦合故障如何一层一层的被展开和发展,以及故障的结构性存在。假如对解析解做更深入的推理分析,可以对数值解法作为现象提出的混沌、分岔等故障特征得到机理层面的解释,而在故障诊断实践中一直难以解释的分数倍频、和差频率等成分,其实质也只是解析解中的一部分。最后,采用工程实践的方法验证了建模方法的有效和解析解结论的正确。

软弱围岩隧道掌子面及超前核心土挤出位移特征研究

为研究软弱围岩隧道掌子面及超前核心土的挤出位移特征,用Solexperts AG公司生产的GMD滑动测微计对湄渝高速岐山隧道F215构造破碎带区域进行了挤出位移实测,通过有限差分程序进行系列数值试验,着重研究了隧道穿越软弱围岩期间挤出位移的变化特征,并分析了破碎带长度和硬软岩刚度比的影响。结果表明,(1)挤出位移的大小可反映前方围岩质量,挤出位移在超前核心土内的分布可反映前方围岩的节理裂隙发育情况;(2)隧道开挖在掌子面前方造成的扰动范围大致为1.5倍的隧道开挖跨度;(3)隧道接近前方变化地质区域时,挤出位移的增大或减小具有超前性;(4)软岩段长度在一定范围内会影响掌子面进入软岩区后挤出位移的大小和变化趋势;(5)硬岩与软岩间的刚度比越大,挤出位移变化速率越大,且隧道由软岩区向硬岩区掘进时挤出位移的变化时机越早,而由硬岩区向软岩区掘进时的变化时机不受刚度比影响;(6)可将对挤出位移的监测分析作为超前地质预报的补充手段判断掌子面前方围岩情况。

汶川地震和芦山地震的孕震机理及震前中长期地震危险性研究

运用非连续变形分析法与三维有限元法相结合的方法,以GPS资料作为位移速率和震源机制的约束条件,通过数值模拟研究了青藏高原及其东侧邻区构造地块的运动、变形、相互作用及其与近30年来发生于该区的大地震之间的关系。研究中引入了以应力与摩擦强度的比值定义的断层"失稳危险度",通过数值模拟计算得到了研究区地壳块体边界断层的失稳危险度分布。结果表明,失稳危险度高的地段与近期该区发生的M_S≥7.0地震所在的位置基本一致,其中龙门山断裂带上包括汶川和芦山大地震的发震断层均为失稳危险度最高值地区。计算得到的应变率强度分布图显示,青藏高原东部边缘整条地带均为应变率强度的陡变带,特别是以龙门山断裂带上的陡变最为明显,其西侧应变率强度为东侧的近4倍,而且,这个带位于宽度相同、走向与龙门山断裂带走向相一致的高应变能密度带中,表明这两次大地震前,作为其发震断层的龙门山断裂带已积累了相当高的应变能,失稳危险度高,处于力学上的不稳定状态。模拟计算得到在上地壳层中,2001年昆仑山口西M_S8.1地震引起汶川、芦山地震发震断层的库仑破裂应力增加约0.016 MPa,相当于龙门山断裂带约两年的应力积累,也就是说,使汶川、芦山地震发震断层的失稳破裂提前了约两年。此外,关于2008年汶川M_S8.0地震的模拟计算表明,汶川地震的发生也使包括芦山地震发震断层的龙门山断裂带西南段和东昆仑断裂带东南端的库仑破裂应力增大,应变能积累增强,这说明汶川M_S8.0地震的发生对已处于失稳危险度较高状态的2013年芦山地震和2017年九寨沟地震发震断层的提前失稳破裂起到了促进作用。

基于NMM-DDA的直剪试验数值模拟

为解决土体剪切试验数值模拟较困难的问题,基于数值流形法(NMM)和不连续分析法(DDA)耦合算法(NMM-DDA)的计算特点,提出通过分离单元的形式来模拟土体的剪切破坏过程。对长沙市某地红粘土直剪试验进行模拟计算,并与试验结果及DDA计算结果进行对比分析。结果表明,所提方法在抗剪强度、破坏形态方面与试验结果有较好的可比性,且较DDA更好地反映了土体逐渐破坏的特点,说明该方法所反映的土体局部化过程符合实际,为今后研究提供了参考依据。