一种中心型有限体积孔隙–裂隙渗流求解方法及其OpenMP并行化
摘要：为高效求解单相孔隙–裂隙渗流问题,发展一种基于任意网格的三维中心型有限体积渗流求解算法,并对其进行OpenMP并行化。该算法将压力置于单元中心处;使用串联弹簧模型在空间域离散;使用显式差分格式在时间域离散;使用动态松弛求解技术,逐个单元求解。算例研究表明,该算法与有限元相比具有类似的精度,但求解效率更高。OpenMP并行化使得该算法运算速度在CPUi7–3770上可提高至4.0倍,在CPUi7–4770上可提高至4.2倍;两台机器上的并行效率均高达50%以上。岩质边坡抗震稳定性的能量方法研究
摘要：地震荷载作用下边坡失稳判据是岩土力学研究的热点和难点,综合运用极限分析和波动理论,从功率角度出发,提出外力功率等于内能耗散的岩质边坡能量稳定性评价方法。借助强度折减法和超载系数法,通过安全系数对单节理边坡进行定量化安全性评估。以P波倾斜入射单节理边坡为例,首先,研究边坡的自稳临界高度和应力波入射节理透反射基本规律;其次,在边坡临界自稳高度范围内,研究应力波作用下边坡临界高度的动态变化情况;最后,根据外力功率等于内能耗散的判断准则,通过强度折减法和超载系数法,分析动荷载作用下单节理边坡动态安全系数的变化,计算块体极限滑动时所需的能量。研究表明:边坡节理面的黏聚力越高,其自稳临界高度越高,动荷载作用下边坡动态临界高度也越高,抗震性能也越好;随着入射P波峰值强度的增大,边坡动态临界高度降低的幅度也增大;随着入射角度的不断减小,边坡动态临界高度变化的幅度不断增大,表明地震作用下边坡破坏的可能性不断增大;边坡动安全系数的变化趋势与透射应力的变化趋势相反;边坡的高度越高,块体越不稳定,其极限滑动时所需的能量也越少。盐岩的压剪疲劳特性与位错损伤研究
摘要：开展不同剪切角度的压剪实验和疲劳实验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为度量指标的损伤关系模型。得到的主要结论有:(1)大于45°角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰值应力和最大变形量均随着剪切角度的增大而减小。裂纹以剪切面附近扇形裂纹发育为主。(2)疲劳寿命与循环荷载的上限应力水平相关。剪切角度不同时,若应力水平相同,则其疲劳寿命(循环数)基本相同;若应力大小相同,则剪切角度越大,疲劳寿命越短。(3)变向剪切对盐岩的疲劳寿命影响巨大,使疲劳寿命下降90%以上。(4)盐岩疲劳裂纹的成核和位错的不断挤入、挤出有关,裂纹扩展是多滑移系交替滑移的结果。建立基于位错理论的盐岩损伤模型,使损伤能从本质上表达盐岩的破坏过程。疲劳损伤越大盐岩的承载能力下降越明显。开挖问题摩擦效应的有限元计算方法
摘要：采用有限单元法计算砂性土中的开挖卸载,根据既有的散粒体材料开挖应力释放和弹塑性卸载理论研究成果,将卸载过程中材料荷载–位移曲线的非线性等效成为开挖荷载的逐步释放,该过程中卸荷模量与加载模量一致。在此基础上,推导用卸荷刚度表示的计算域内开挖荷载计算式;同时,根据现有试验结果,将八面体剪应力引入以表征单次加卸载情况下颗粒间的摩擦作用力,并利用虚功原理建立颗粒间摩擦作用与卸载应力释放特性的关系,将应力释放效应对开挖荷载的影响等效成为修正开挖卸载阶段材料的弹塑性本构关系矩阵,从而实现考虑卸载摩擦效应的开挖问题计算方法。从节点平衡方程的推导来看,开挖荷载对整个计算区域均有影响,和应力释放效应存在对应关系。设计砂的室内单向加卸载模型试验,并采用该有限元方法对室内模型试验进行模拟,结果表明,单次加卸载过程中,计算曲线可以较好地反映对应试验条件下土体的应力释放特性,计算结果与现有的理论研究成果相符,该方法对开挖问题的描述具有一定的可行性。隧道断层泥注浆加固机制模型试验研究
摘要：为研究永莲隧道断层泥注浆加固机制,设计一套由注浆工艺模块、被注介质模块和信息采集模块构成的断层泥注浆加固试验系统,开展断层泥注浆加固体单轴压缩试验、典型浆–岩界面特征试验和扫描电镜(SEM)试验。结论如下:注浆后断层泥单轴抗压强度可提升181%~2 535%,加固体呈现浆脉开裂→界面附近土体破坏→整体破坏特征,断层泥以骨架式加固模式为主,注浆压力是提升加固效果的主控因素;注浆后浆–岩界面黏聚力可提升93%~274%,分析不同注浆压力、材料和初始干密度对浆–岩界面强度的影响,相比双液浆,单液浆可使界面黏聚力提升幅度增加125%~148%;注浆后断层泥由絮状结构转化为密实整体结构,浆–岩界面是具有一定厚度的不规则结构体,由胶结面、渗透过渡区及微劈裂过渡区构成,界面附近存在物理力学特征突变区,定义了浆–岩界面的直接及间接加固模式。试验结论对于注浆加固理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机制研究
摘要：利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行系统剪切蠕变试验研究,分析红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨边坡的滑移机制。结果表明:剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究
摘要：以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。DDA方法中的人工边界问题研究
摘要：数值分析中的人工边界可能会引入虚假的反射波,不可避免地影响求解,针对非连续变形分析(DDA)方法中的人工边界问题,首先,基于Newmark法推导黏性边界、黏弹性边界对DDA方程组的贡献;其次,为更好地解决地震等外源入射问题,在DDA中引入了自由场边界;最后,为保证静、动力分析过程转换时边界的一致性,在DDA中实现静动力统一边界。利用改进后的DDA程序进行算例分析,结果表明:各人工边界理论在DDA程序实施正确;黏性边界能高效地吸收人工边界处的反射波,黏弹性边界可以反映介质的弹性恢复能力;与黏性边界相比,两侧施加自由场边界模拟无限域运动可以减少边界的影响;引入统一人工边界的DDA可以完整地模拟静、动力计算全过程。考虑吸附作用的煤层瓦斯非线性渗流数学模型
摘要：基于以往试验成果,得到煤体渗透率与其吸附气含量之间的函数关系,建立考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗流数学模型,该模型表征的渗流阻力更清晰,物理意义更明确。达西定律是该模型的特例。在此基础上,采用数学物理方法推导考虑吸附作用的煤层瓦斯渗流方程分析解,更真实地反映了瓦斯在煤层中的运移特征。考虑吸附作用的数学模型的计算结果与试验结果吻合很好,应用该模型可为矿井瓦斯灾害的治理和煤层气资源的开发提供基础理论和依据。表面反应和扩散迁移联合控制的粗糙单裂隙渗流–溶解耦合模型
摘要：裂隙渗流–溶解耦合模型可用于刻画流场、化学场以及裂隙开度等的变化,而溶解速率的表达以及裂隙开度的初始分布对模拟结果皆有影响。在探讨表面反应和扩散迁移联合控制溶蚀机制的基础上,采用分形方法模拟粗糙裂隙,建立此类条件下的渗流–溶解耦合模型,并进行数值求解。结果表明:(1)裂隙开度、流速、Ca2+浓度等在空间上呈"虫洞"状非均匀分布,尤其是中后期形成相对集中的渗流通道;(2)通过裂隙的流量在某一"临界点"后出现激增,即流量在此时刻之前增长相对较缓,而之后明显增大;(3)裂隙各部位反应受控主因素具有时变性,初始时以表面反应控制为主,而后在上游处转为扩散迁移控制,并逐渐向下游延伸扩大。考虑桩侧土体非线性的静荷载作用下的单桩沉降时间效应研究
摘要：采用双曲线模型模拟桩侧土体的非线性,研究成层地基中静荷载作用下单桩沉降的时间效应,以及沉降稳定之后的桩身侧摩阻力和桩身轴力的分布情况。首先,将桩身自上而下划分为有限个单元段,采用基于行波分解的波动分析程序,推导出静荷载作用下任意时刻桩身任意位置处的位移方程;然后采用参数分析的方法,分析桩–土参数对单桩沉降性状的影响;最后模拟基桩静载荷试验的s-lgt曲线和q-s曲线,并与实测数据进行对比。结果表明:静荷载作用下单桩沉降的时间效应十分明显,建立的模型能够较好地模拟单桩在静荷载作用下的沉降性状。土坝渗流侵蚀机制及有限元计算
摘要：针对土体内部渗流侵蚀这类特殊工程地质力学问题,系统研究土体渗流侵蚀形成机制、影响因素以及渗流侵蚀引起土体结构强度损伤的量变关系。通过分析渗流侵蚀机制,建立土体内部渗流侵蚀各组分关系,建立土体内部渗流侵蚀本构及控制方程,给出渗流侵蚀引起的土体结构强度损伤关系。以心墙坝为例,利用有限元数值计算分析方法,将所建立的控制方程进行数值计算,对渗流侵蚀进行分析。有限元数值分析计算结果很好地验证了所建立的土体内部侵蚀控制方程、侵蚀损伤弹性模量与侵蚀率之间的函数关系的正确性。考虑变位影响的刚性挡墙非极限土压力研究
摘要：经典土压力理论仅能计算平移模式挡墙的极限状态土压力。采用以主应力差表示的应力圆,根据应力路径三轴试验中得到的径向应力–应变关系,建立非极限状态下受位移影响的土体内摩擦角、墙土间摩擦角发挥值随位移的变化关系,并提出有效位移面积比方法将该关系量化至转动变位模式挡墙。在此基础上,应用水平层分析法和改进的库仑公式,推导出考虑挡墙变位影响的非极限土压力合力及其作用点位置、土压力分布计算式。研究表明:按有效位移面积比方法进行量化后,理论计算值与实测值相对误差较小;所提出的公式较好地反映了土压力随位移的变化规律,能够分析不同变位模式下的非极限土压力,可作为库仑理论公式的有效推广。基于沉降控制的端承型复合桩基工程实践
摘要：针对端承桩无法满足桩、土变形协调的特点,通过专门研制的变形调节装置,协调桩、土变形差,提出在桩顶设置变形调节装置的端承型复合桩基,实现地基土承担上部结构大部分荷载,仅通过少量端承型桩来控制建筑物沉降的目的,并进行工程实践。该工程地基土承载性能良好,天然地基承载力可以满足要求,但建筑物沉降过大,通过采用该方法使地基土承担上部结构55%的荷载,且沉降控制效果良好,取得了显著的经济效益和社会效益。通过对一系列现场测试数据的分析,验证本工程基于沉降控制的端承型复合桩基方案的合理性和有效性。该工程端承型复合桩基的设计思路与方法可供同类工程借鉴和参考。铁路重力式桥墩抗震加固方法研究
摘要：铁路桥墩作为桥梁的下部结构,在地震作用下易遭到破坏。我国高烈度地区依然存在大量的低配筋重力式桥墩。此类桥墩延性及耗能能力较差,抗震能力不足。在历次强烈地震时铁路桥墩的破坏都十分严重。因此,针对既有铁路重力式桥墩提出可靠的抗震加固方法,以及对加固后桥墩的抗震性能进行评估,已成为一个急需解决的问题。根据铁路重力式桥墩的特点,研究了外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的有效性及可行性,并对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行重点研究。制作6组共计23个不同配筋率的混凝土桥墩模型,针对每种加固方法进行试验及理论研究。研究模型桥墩加固前、后的破坏模式、滞回曲线及骨架曲线,分析各种加固方法的加固效果。研究加固后桥墩的抗震性能评估方法。主要研究内容如下:(1)针对铁路混凝土重力式桥墩配筋率低,在地震时易发生破坏的特点,提出外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法。介绍了3种抗震加固方法的施工工艺,尤其对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行了详细介绍。(2)建立3种抗震加固方法的有限元模型及求解方法。基于ANSYS有限元分析软件,研究模型桥墩加固前、后的承载能力、位移延性以及塑性区的分布规律。讨论加固材料、墩底锚固措施及加固高度等因素的影响。比较不同加固方法的加固效果。建立采用外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的三维有限元分析模型,进行桥墩水平力–位移关系的全过程分析。计算结果表明:随着加固高度的增加,破坏模式发生改变,塑性区的分布区域发生上移。采用墩底锚固措施的加固方法可以大幅度提高桥墩的承载能力和变形能力。有限元分析结果为桥墩的抗震加固参数及锚固方式的确定提供了理论�《岩石力学与工程学报》2015年“陈宗基讲座”暨深部资源开发中的岩石力学问题专题研讨会
