非连续变形分析

摘要： 研究非饱和土微结构的动态演化规律对认识非饱和土宏观物理力学行为的本质有重要意义。然而目前岩土学界对此尚不清楚。文章提出利用毛细水算法进行非饱和土压缩数值试验,研究其宏观变形过程中土水作用与孔隙的演变规律。首先参考黄土骨架颗粒的形态和优势颗粒的大小,建立了540μm×400μm理想的非饱和土微观结构模型;其次利用毛细水模型计算某一含水率下水分分布及毛细力,并将此毛细力施加于土粒之间;然后施加外荷载,对含水率为5%、10%、18%的3个模型土样进行压缩模拟。模拟结果表明:模拟获得的压缩曲线与同工况试验曲线表现出了相同的变化规律,表明该模拟一定程度上能够反映土体在压缩过程中的宏观变形特征;在压缩过程中,随土体的变形,饱和度和基质吸力分别呈上升和下降趋势,且变化程度与含水率有关,表现为含水率越高,饱和度涨幅越大,而基质吸力却在土样干燥和近饱和时降幅较大;土体孔隙结构的演化形式与体积含水率有关,低含水率时孔隙以收缩变形为主,高含水率时以大孔隙压密为更小类型的孔隙为主。模拟结果可作为实验结果的有益补充,加深对土体宏观变形行为的认识。

摘要： 焦玉勇学科首席教授/博士生导师现任中国地质大学(武汉)工程学院院长,兼任国际岩石力学与岩石工程学会非连续变形分析专业委员会(ISRM DDACommission)主席、中国岩石力学与工程学会理事/软岩与深部工程灾害防控分会副理事长等。主要从事隧道与城市地下空间、深部矿山采场安全、岩土工程高性能科学计算等方面的研究工作。获国家科技进步二等奖2项、湖北省科技进步一等奖2项;入选“百千万人才工程”国家级人选,获国家“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。主持“973”课题1项、国家自然科学基金项目7项(重点国际合作项目1项、重点项目1项、面上项目5项)、国务院三建委攻关项目1项、重大工程项目30余项。

摘要： 当下向分层胶结充填法转为无底柱分段崩落法时,需要诱导顶板胶结充填体和上部围岩构成的人造-天然复合岩层冒落形成覆盖层。以某大型有色金属矿山为工程背景,采用非连续变形分析方法对人造-天然复合岩层的冒落机理、模式及过程开展数值模拟研究,结果表明,由于胶结充填体强度较低且顶板围岩富含连续性较好的光滑陡立节理,加之矿区存在较为显著的水平构造应力,导致矿山在崩落法回采过程中顶板复合岩层极易突发直贯地表的大规模冒落,需要严格防控大规模冒落带来的气浪冲击危害和冲击振动危害,在实际生产中建议采用均匀扩展采空区和预留散体矿石等预防措施。

摘要： 深切河谷岸坡的层状岩体在河流长期的侵蚀作用下,会产生大量的倾倒变形破坏,给工程建设造成极大的困扰.以黑河库区和镇安县倾倒变形边坡为例,使用DDA模拟了河流侵蚀作用下边坡的倾倒变形过程,探究了深切河谷岸坡岩体倾倒变形的演化过程和机理,取得如下成果:(1)揭示了黑河库区和镇安县边坡发生倾倒变形的主要原因;(2)对河流侵蚀作用下中厚层和薄层岩体边坡倾倒变形过程进行划分,薄层岩体边坡倾倒变形过程中会出现爬坡效应;(3)坡脚的结构面强度变大,坡顶应力释放导致的主应力方向发生偏转是边坡发生倾倒变形的根本原因,倾倒变形的模式则是由剪应力分布情况决定的;(4)对中厚层岩体倾倒变形边坡进行锚索支护模拟,相较于预测工况,计算后边坡各处的位移明显减少,从坡顶到坡脚施加的锚索的锚固力逐渐减小.

摘要： 平衡石在自然状态下大多处于基本稳定或极限平衡状态,在外界扰动下易失稳。为了开展缙云抽蓄工程区典型景观平衡石在爆破荷载下的保护工作,采用无人机航拍和手持相机摄影相结合的摄影测量方法,获得了典型景观平衡石精细三维数字模型;基于数字模型获得了平衡石的几何信息及接触状态,对平衡石的静力平衡状态及静力稳定性开展了分析,获得了滑移失稳和倾倒失稳模型下的安全系数;采用非连续变形分析(DDA)方法,对极限平衡状态下的平衡石开展了动荷载稳定分析,采用大刚度法在模型底部输入速度时程,模拟平衡石基座实测的振动曲线,通过放大输入荷载得到平衡石失稳时基座水平振动速度允许值,并结合爆破安全规程提出了景观平衡石基座的爆破振动安全允许振动速度为0.20~0.40 cm/s。

摘要： 黄土的结构性与其形成过程密切相关,并对其物理力学性质产生重要影响.针对结构性黄土的大孔隙和胶结特性,对DDA算法进行了扩展,将结构性黄土中起主要胶结作用的黏粒胶结嵌入已有的DDA算法中;使用Monte Carlo法和DDA模拟黄土的沉积过程,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,分析结构性黄土在压缩过程中颗粒的平动和转动规律,由此构建与原状黄土孔隙比接近的微观结构模型;进一步使用扩展DDA对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的一维压缩试验模拟,并与室内压缩试验进行对比.发现胶结试样颗粒位移比不含胶结试样颗粒位移小,但整体规律相似;每个颗粒位移的大小和方向不尽相同,但主要以竖向位移为主;在压缩过程中,不同区域的颗粒位移存在较大差异,上部颗粒位移大,越往下部颗粒的位移越小.该研究成果可为从微观认识黄土力学行为提供一条途径.

摘要： 强度衰减是滑坡高速远程运动的重要原因,为了探明滑体强度衰减对滑坡运动能力的影响,以意大利Vajont高速滑坡为例,结合现场调查以及滑坡历史资料,基于岩土体剪切强度衰减理论,利用非连续变形分析(DDA)方法,探讨滑带强度衰减、滑体强度衰减及其共同作用对Vajont滑坡独特运动堆积特征的影响. 研究结果表明:滑带和滑体强度衰减的共同作用造成了Vajont滑坡显著高速运动和独特堆积特征,滑带强度衰减对滑坡运动速度起主导作用,当滑带强度衰减为15.8° 时,监测块体最大速度为5 m/s,当滑带强度衰减为6.9° 时,监测块体的最大速度为19 m/s;滑体强度衰减则对其高速持时具有显著影响,进而大幅提高滑坡运动的远程能力,当滑体强度为40.0° 时,监测块体水平最大位移为140 m,当滑体强度衰减为14.0° 时,监测块体水平最大位移为260 m;数值模拟过程中滑坡呈现出"一体化"运动特征,此特征可用来解释在实际滑坡堆积体高速远程运动过程中保持良好层序的原因.

摘要： 相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究.作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段.基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法.在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性.通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;“加载步回撤”和“二分法搜索”等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线.采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力-应变全过程曲线.基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段.

摘要： 2008年汶川发生MS8.0级地震,此次地震触发了大约20万处滑坡,其中大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模的滑坡,其复杂的高速远程运动机理引起了国内外学者的广泛关注.本文结合热分解及动态结晶将地震中断层间摩擦弱化机制(闪速加热导致热分解及粉末润滑)运用于大光包滑坡高速远程运动的模拟.本文通过修改非连续变形分析(DDA)程序中强度参数的输入方式,以基于速度变化的强度参数取代原DDA程序中的常数强度参数,进而实现了摩擦系数随接触两侧相对速度变化的动态调整.运用修改后的DDA对大光包滑坡的运动过程进行模拟.模拟结果表明滑床摩擦弱化是导致大光包滑坡高速远程运动特征的重要原因,修改后的DDA由于考虑了滑床摩擦弱化能够更加合理地模拟滑坡的高速远程运动特征,本文模拟的大光包滑坡在地震作用下失稳后,由于滑床摩擦弱化,更多的能量转化为动能,高速滑体掠过黄洞子沟后,爬上对面的平梁子,最终由于平梁子的"急刹车"作用,滑体停止运动.与修改前DDA相比,修改后的DDA对大光包滑坡运动过程和最终堆积形态的模拟结果与已有文献记载和野外调查结果相吻合.这也间接证明了大光包滑坡滑动过程中由于白云岩间摩擦闪速加热导致热分解及粉末润滑造成的摩擦系数降低,可能是造成大光包滑坡高速远程运动的重要原因.

摘要： 许多拱坝的坝肩由于冲击射流的冲刷而需要对岩体潜在的侵蚀程度进行评估,以确保拱坝的安全性.本文采用了非连续变形分析(DDA)方法来分析溢流水舌冲刷侵蚀坝肩的过程.通过改进传统DDA模型,结合某工程背景,综合考虑冲击动载、弱节理等情况,建立DDA流固耦合模型进行分析.结果表明,用DDA方法分析坝肩冲刷问题是可行的;岩体冲刷侵蚀主要和射流的持续时间和冲击强度有关;岩体的破坏表明坝肩的稳定性较差,需要对肩坡进行加固.

摘要： 跨断层埋地管线系统主要由管线及其周围土体两种不同介质组成,具有分析介质不连续性特性.为实现对管-土接触介质的不连续性分析,采用非连续变形分析与有限元分析相结合的方法,将跨逆断层埋地管线系统从实际工作状态中取出一部分作为分析对象.利用有限元分析方法对管线及其周围土体进行网格划分;而管-土之间的相互作用,利用非连续变形分析中的不连续介质接触处理方法实现模拟.通过模型的数值分析,研究了逆断层作用下管-土之间的非连续变形相互作用状态,验证了利用非连续变形分析与有限元方法相结合解决埋地管线-土接触的可行性和有效性,为管-土相互作用分析提供了新的研究思路和研究方法.

摘要： 本文针对灾害地质体中非连续性变形运动特征与预测防治等问题,对地质灾害体的数值模拟与预测应用非连续变形分析(DDA)方法进行了系统的研究.具体分析了小范围的链子崖危岩体及大范围的伽师强震群地区,得出了一系列的形变位移场、应力场变化结果,证明了已实施的链子崖防治工程的有效性,揭示了伽师地区的地震活动规律,显示了地质灾害发生与地质构造的直接联系.这一系列模拟结果充分说明了DDA方法在地质灾害预测应用中的科学性、灵活性和优越性.

摘要： 岩体的破坏失稳过程常伴随着大量的裂纹扩展、贯通和岩桥的断裂破坏.采用改进的基于子块体单元应力的非连续变形分析(DDA)子块体开裂模拟算法,再现了单轴压载条件下方形试件中预置的不同倾角单裂纹以及不同间距、倾角共线双裂纹的发育过程,得到的裂纹扩展和贯通结果与相应的实验或其他数值模拟结果吻合较好.结果表明,总体来讲,单轴压载条件下岩石试件中预置裂纹相对于加载方向倾角的增大以及预置裂纹间间距的减小,将有利于裂纹的扩展和贯通.研究为子块体DDA开裂模拟方法应用于岩质边坡失稳、爆破破岩等工程问题创造了条件.

摘要： 锦屏一级地下厂房位处大理岩夹绿片岩高地应力带,规模大,埋深大,围岩以Ⅲ1类为主,存在4组优势裂隙和2个断层,勘探洞内出现岩芯饼裂,片帮弯折内鼓。通过关键块体理论确定出关键块体在顶拱分布最多最大,下游侧分布密集,上游侧仅中部墙体有,并结合2D-DDA确定出最危险裂隙组合,计算表明开挖后洞室顶拱全线塌落,上下游皆有破坏,尤以下游为重,不过锚杆锚固是有效的措施。研究表明,将DDA和关键块体理论相结合,可以通过关键块体理论可预测地下工程块体系统的分布规律,找出了控制该洞室稳定性关键块体的规模、分布情况及开挖后的稳定性系数,同时通过DDA了解整个洞室块体系统的整体运动情况,这对认识地下工程围岩问题发生规律,优化监测设备的布置,支护设计等具有重要的意义。

摘要： 本文在自行研制的非连续变形分析(Discontinuous Deformation Analysis-DDA)程序中实现了自动强度折减法以模拟边坡的稳定性和安全系数.通过锦屏高边坡和某重力坝深层滑动的计算分析以及与刚体极限平衡法和有限元方法的比较研究可以看出,强度折减DDA法可以较高精度求出岩石高边坡的安全系数,但求得的重力坝深层抗滑稳定安全系数要低于刚体极限平衡法的结果.基于强度折减技术的DDA与FEM的耦合方法,可以较准确地求出重力坝深层抗滑稳定安全系数.

摘要： 由于断层和节理切割,边坡岩体一般具有非连续特性,降雨入渗是影响其稳定的重要因素之一.本文应用饱和-非饱和渗流理论建立了岩体边坡的非稳定饱和-非饱和渗流分析模型,并采用块体系统的非连续变形分析建立了降雨入渗非饱和渗流场影响的岩体边坡稳定分析和评价模型.作为应用实例,对某高速公路岩体边坡在降雨入渗条件下的非稳定饱和-非饱和渗流场及其对边坡稳定性的影响进行详细分析,并对边坡的稳定性进行评价.

摘要： 爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程.采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性.通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析.研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.

摘要： 爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程.采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性.通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析.研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.

摘要： 爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程.采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性.通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析.研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.

摘要： 本发明为基于红外和可见光双光相机的非连续变形测量方法，该测量方法的步骤是：在准脆性材料表面均匀喷涂导热涂料形成导电膜，在导电膜表面制备随机散斑图案；利用双光融合相机获取准脆性材料加载时刻的可见光图像和红外与可见光的融合图像；对可见光图像进行扩展裂缝边界检测，获得裂缝扩展尖端所在位置，据此确定相应融合图像中细微裂缝扩展的初始坐标，进而确定细微裂缝所在初始区域范围；再将可见光图像中对应于融合图像细微裂缝所在区域范围的位置作为二次图像分析区域，对二次图像分析区域进行分析获取全场主拉应变，精准定位细微裂缝轮廓所在位置。将红外图像与可见光图像进行耦合分析，在科研与实际工程领域中可以得到推广应用。

摘要： 本发明属于近场动力学数据处理技术领域，公开了一种用于结构变形分析的近场动力学非连续伽辽金有限元方法，建立实体模型，确定各材料区域并赋予相应材料属性；采用标准有限单元法的网格生成算法划分单元网格；结点复制、生成匹配新方法的非连续单元；初始计算与实时更新结点与高斯点坐标；引入权函数构造键型近场动力学的弱形式，通过高斯点计算单元结点等效载荷、等效外载荷和质量矩阵，确定单元的受力变形计算方法；设置初始条件，施加应力和位移边界条件；提交静动力计算；应力、应变分析。本发明能够在传统有限元框架内实现运用键型近场动力学理论求解结构静动力变形破坏问题。

摘要： 本发明为基于红外和可见光双光相机的非连续变形测量方法，该测量方法的步骤是：在准脆性材料表面均匀喷涂导热涂料形成导电膜，在导电膜表面制备随机散斑图案；利用双光融合相机获取准脆性材料加载时刻的可见光图像和红外与可见光的融合图像；对可见光图像进行扩展裂缝边界检测，获得裂缝扩展尖端所在位置，据此确定相应融合图像中细微裂缝扩展的初始坐标，进而确定细微裂缝所在初始区域范围；再将可见光图像中对应于融合图像细微裂缝所在区域范围的位置作为二次图像分析区域，对二次图像分析区域进行分析获取全场主拉应变，精准定位细微裂缝轮廓所在位置。将红外图像与可见光图像进行耦合分析，在科研与实际工程领域中可以得到推广应用。

摘要： 一种基于非连续变形分析的岩体流变模拟方法,其能够实现对岩体流变变形的准确模拟，为工程长期运行的安全性评价提供依据。包括:(1)选取适当的流变本构方程来描述完整岩块和结构面在长期荷载作用下的时效力学行为，并正确反映其应力—应变—时间关系；(2)对室内或现场流变试验的结果进行函数拟合，确定步骤(1)中所采用的本构方程的流变参数；(3)构建数值计算中流变变形的递推公式，计算岩块、结构面在各计算时步的流变变形增量；(4)基于最小势能原理，推导考虑岩块和结构面蠕变变形的刚度子矩阵和荷载增量列阵；(5)其他子矩阵按照非连续变形分析的基本方法进行集成，建立非连续变形分析的总体平衡方程；(6)求解总体平衡方程，得到各岩块的位移和变形分量，进而求得考虑岩块和结构面流变特性的、与持荷时间相关的岩体变形值。

摘要： 本发明提供了一种基于岩体结构面随机强度的非连续变形分析方法。首先，对岩体中的结构面进行分类，通过相关力学试验获取不同类型的结构面对应的强度参数，包括凝聚力、摩擦角及单轴抗拉强度的均值和标准差；然后，根据各类型结构面强度参数的均值和标准差，利用坐标变换法生成相应结构面的随机强度；最后，基于每一条结构面的随机强度对岩体进行非连续变形分析模拟，包括依据随机强度计算滑动摩擦力，以及依据随机强度进行接触判断、求解开闭状态等。依本发明的方法，结构面强度的取值更接近岩体的实际情况，非连续变形分析的计算结果更为准确、真实。

摘要： 本公开提出了基于非连续变形分析的隧道危险块体判识及靶向加固方法，包括：根据模拟工程的实际条件，设置计算模型的固定点、加载点、监测点、节理参数、孔洞参数、地应力、系统锚杆参数等信息，构建非连续计算模型；基于非连续变形分析方法模拟隧道开挖完成后的围岩块体变形以及运动过程，并实时监测每个块体的竖向位移，若大于设定值则划分为垮塌块体，否则为安全块体，记录危险块体编号；根据垮塌块体在初始条件下的位置，检索穿越垮塌块体的系统锚杆，逐次延长该部分锚杆长度，直到所有块体均为安全块体，以此确定锚杆的长度，实现隧道危险块体的靶向加固。

摘要： 本发明提供一种隧道围岩稳定性非连续变形分析方法及系统，发射地震波信号在断层等非连续结构面处产生发射现象，依据反射信号分析岩体结构面几何参数及岩石的物理力学参数；根据分析需求，构建三维非连续数值计算模型，依据得到的几何参数，在计算模型中添加岩体结构面；模拟隧道开挖完成后的围岩块体变形以及运动过程，并实时监测每个块体的竖向位移，将竖向位移大于设定值的划分为垮塌块体，否则为安全块体；基于模拟结果，预测分析隧道掌子面前方围岩出现块体垮塌灾害的高风险区域。本发明融合地震波探测数据，可实现隧道掌子面前方围岩块体垮塌灾害预测分析。

摘要： 本发明提供一种GPU并行的二维颗粒非连续变形分析方法、装置、介质及设备，属于计算机程序虚拟现实模拟技术领域。该方法包括：建立待分析二维颗粒离散化模型、材料属性及控制参数信息；将所述待分析二维颗粒离散化模型、材料属性及控制参数信息数据传输到GPU中；进行接触对检索，得到所述待分析二维颗粒接触对及接触状态；由最小势能原理组装非接触力刚度矩阵；针对所述待分析二维颗粒接触对的接触状态由最小势能原理组装接触力刚度矩阵；建立总体方程并求解；根据所述计算结果更新颗粒位置，速度，接触对状态信息。该装置、存储介质及设备能够实现该方法。其能够可实现岩土体动态和静态模拟，并且，运行效率较高。

摘要： 本发明提供了一种基于岩体结构面随机强度的非连续变形分析方法。首先，对岩体中的结构面进行分类，通过相关力学试验获取不同类型的结构面对应的强度参数，包括凝聚力、摩擦角及单轴抗拉强度的均值和标准差；然后，根据各类型结构面强度参数的均值和标准差，利用坐标变换法生成相应结构面的随机强度；最后，基于每一条结构面的随机强度对岩体进行非连续变形分析模拟，包括依据随机强度计算滑动摩擦力，以及依据随机强度进行接触判断、求解开闭状态等。依本发明的方法，结构面强度的取值更接近岩体的实际情况，非连续变形分析的计算结果更为准确、真实。

摘要： 一种基于非连续变形分析的岩体流变模拟方法,其能够实现对岩体流变变形的准确模拟，为工程长期运行的安全性评价提供依据。包括:(1)选取适当的流变本构方程来描述完整岩块和结构面在长期荷载作用下的时效力学行为，并正确反映其应力—应变—时间关系；(2)对室内或现场流变试验的结果进行函数拟合，确定步骤(1)中所采用的本构方程的流变参数；(3)构建数值计算中流变变形的递推公式，计算岩块、结构面在各计算时步的流变变形增量；(4)基于最小势能原理，推导考虑岩块和结构面蠕变变形的刚度子矩阵和荷载增量列阵；(5)其他子矩阵按照非连续变形分析的基本方法进行集成，建立非连续变形分析的总体平衡方程；(6)求解总体平衡方程，得到各岩块的位移和变形分量，进而求得考虑岩块和结构面流变特性的、与持荷时间相关的岩体变形值。