双向粘弹性节理岩体时域等效分析

以双向粘弹性节理岩体为研究对象,基于一种简单等效假定和自适应算法,并结合有限元方法,得到递推格式的等效本构模型和等效粘弹性场计算模型.通过算例,将等效解与基于ANSYS的非均质解进行比较.从计算精度和效率平衡的角度而言,等效模型的结果是令人满意的.     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.      

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微 面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积 损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性 理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约 束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微 面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳 定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体 的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.     

波动方程数值模拟的一种显式方法——-界面节点公式的构建

针对成层介质中标量波动的数值模拟, 基于波速有限原理和波动方程柯西问题的解, 导出了界面点在一个短时间窗内的精确解, 由此给出了具有高阶精度的界面节点显式递推公式的一种构建方法, 并以构造弹性杆界面节点的递推公式为例说明其要点. 给出了与已有内节点递推公式的精度阶匹配的二阶和四阶界面节点递推公式. 由此构成的计算格式具有``异质格式'编程简便的特性, 更合理地考虑了界面影响. 最后, 通过数值试验检验这一匹配方案的精度和稳定性.      

岩体中的节理对爆破作用的影响

通过分析节理岩体的结构特征,建立了节理岩体的质量综合评价指标体系,并将其嵌入ＤＹＮＡ ２Ｄ程序框架,用数值计算方法模拟了岩体中的节理对爆破作用的影响。     

层状岩体的Cosserat介质均匀化

将层状岩体视为由Cosserat介质组成的复合体,对其进行均匀化等效,在MATLAB平台上进行有限元编程,得到新等效本构关系。不仅能反映层状岩体的弯曲特性,而且可以对节理岩体的力学性能进行宏观和细观描述。通过对洞室算例进行显式节理模型、横观各向同性模型以及均匀化Cosserat等效模型三种方法的数值计算比较,证明理论分析与计算方法可行有效。     

冲击载荷作用下岩体破坏规律的数值流形方法模拟研究

为了更好地模拟岩体这种典型的连续与非连续介质共存的复杂结构体在冲击载荷作用下的破坏规律,在近年来新出现的数值流形方法基本理论的基础上,利用其算法程序对岩体中存在的不连续面如节理、裂隙等对岩体破裂效果的影响进行了数值模拟分析,计算结果充分显示了数值流形方法在模拟这类问题中的准确性和有效性。     

节理岩体的爆破松动机理

利用应力波理论对节理岩体的爆破松动机理进行了探讨,同时利用动力有限元数值模拟方法验证了理论分析结果。研究表明,爆破荷载的加载阶段对岩体的挤压蓄能和快速卸载阶段的弹性回复是岩体产生后续松动位移的根本原因;节理岩体的爆破松动在开挖面的法向表现为岩体的剪切错动,在平行于开挖面方向表现为结构面的张开;拉格朗日坐标下的动力有限元数值方法,如ANSYS/LS-DYNA程序,能够较好地用来模拟节理岩体的爆破松动过程。     

一种求解粘弹性大变形问题的时域分段展开算法

摘要： 利用展开技术,提出一种求解粘弹性大变形问题的时域分段自适应算法,建立了显式递推格式的Update-Lagrange有限元求解模式,只需在初始时刻迭代求解一个瞬时弹性大变形问题,其它时段均不需迭代计算,并可通过展开阶数对计算精度的控制,实现时域的自适应计算,数值算例表明所提算法可行有效。     

An empirical statistical constitutive relationship for rock joint shearing considering scale effect

The scale effect of rock joint shearing is of great significance in rock engineering. Most existing shear constitutive models could describe the pre- and post-peak deformation of rock joints, but only in one particular scale, that is, those existing models will fail to depict the rock joint shearing in different length scales. Therefore, this study aims to establish a constitutive relationship for rock joints with considering the scale effect. Based on the assumption of a random statistical distribution of rock material strength and statistical mesoscopic damage theory, damage variables are defined as the ratio of the number of damaged elements to the total number in the shear process. Together with the nonlinear relationship between the microelement failure and the joint scale, an empirical statistical constitutive relationship for joint is established. And then, the determination method of constitutive relationship parameters and the variation laws with the scale are discussed. Results show that the predicted results of the proposed empirical relationship not only agree well with the experimental results but also fully describe nonlinear deformation, pre-peak softening, post-peak softening, residual stage, and other mechanical properties of the shear deformation of joint with different dimensions, thereby demonstrating the rationality of the constitutive relationship. The physical meaning of the constitutive relationship parameters is clear, and the expressions of the constitutive relationship parameters can be deduced from the experimental results. In addition, the influence of scale effect on the shear deformation of rock joints can be quantified using parameters, which help accurately describe the action form of scale effect.     

THE SIMULATION OF SOME MODEL VISCOELASTIC EXTENSIONAL FLOWS

The numerical simulation of three model viscoelastic extensional flows is considered: sink flow, model draw-down and conical section draw-down. A transient finite element scheme with a pressure correction method is employed to analyse the numerical treatment of such problems for Oldroyd- Band Phan-Thien/Tanner constitutive models. Both decoupled and coupled formulations are compared for these highly convective flows and effective mechanisms are proposed for removing numerical oscillations in the temporally developing solution. In pure viscoelastic extensional flow from an initial stress-free state, the maximum stress level attained decreases with increase in material relaxation time. When this is followed by stress relaxation, as in conical section draw-down, increasing the relaxation time inhibits stress decay.     

弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用

针对现有数值流形方法只能进行弹性计算的不足,建立了一个能够反映完整岩块弹塑性变形特征的本构模型,并借助VC++开发了内置该本构模型的弹塑性数值流形程序。利用该程序模拟了含单节理岩样的室内压缩试验,分析得到了其强度和变形特性,计算结果符合实际的物理现象,表明程序是正确有效的。考虑到数值流形方法本身能够有效模拟材料的不连续变形,新增的弹塑性分析功能又可以反映岩石的强度特性,将弹塑性数值流形程序应用于某含有不连续面的岩石边坡的稳定性分析。并结合锚杆单元的使用,对比分析了不同锚固方案的加固效果。程序提供的变形、应力等计算结果表明：预应力锚杆不仅可以防止不连续面发生剪切破坏,增强坡体的稳定性,限制塑性变形的发展;而且可以使不连续软弱层面对岩体变形的消极影响得以减弱,起到提高岩体整体性的作用。     

基于三维接触有限元分析的管片等效抗弯刚度和错台研究

针对盾构隧道管片接头等效抗弯刚度预测研究中,对梁-弹簧与三维模型整体等效性考虑的不充分,以三维接触有限元计算结果作为测量信息,借助基于挠度等效的反问题求解,提出了一种确定管片接头等效抗弯刚度的新方法;并利用不同轴力-偏心距组合下的反演结果,建立了基于Kriging代理模型的轴力-弯矩-等效抗弯刚度的非线性关系,提出了由此关联的管片结构非线性问题的数值求解方法。与三维有限元结果相比,所提方法可较为准确地预测管片结构的内力和变形,表现出良好的整体等效性。此外,借助三维接触有限元分析,进一步深入探讨了螺栓孔间隙与衬垫本构关系对管片纵向错台量的影响。     

Three‐dimensional simulation of planar contraction viscoelastic flow by penalty finite element method

The planar contraction flow is a benchmark problem for the numerical investigation of viscoelastic flow. The mathematical model of three‐dimensional viscoelastic fluids flow is established and the numerical simulation of its planar contraction flow is conducted by using the penalty finite element method with a differential Phan‐Thien–Tanner constitutive model. The discrete elastic viscous split stress formulation in cooperating with the inconsistent streamline upwind scheme is employed to improve the computation stability. The distributions of velocity and stress obtained by simulation are compared with that of Quinzani's experimental results detected by laser–doppler velocimetry and flow‐induced birefringence technologies. It shows that the numerical results agree well with the experimental results. The numerical methods proposed in the study can be well used to predict complex flow patterns of viscoelastic fluids. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。