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非連續變形分析——研究與應用(下冊) 版權信息
- ISBN：9787030697899
- 條形碼：9787030697899 ; 978-7-03-069789-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
非連續變形分析——研究與應用(下冊) 本書特色
本書作者自1995年開始學習DDA，隨后帶領學術團隊做了大量研究開發及應用工作。
非連續變形分析——研究與應用(下冊) 內容簡介
全書分為上下冊，本冊分為方法改進和功能擴展部分，主要闡述了DDA方法在圓形單元、高階位移模式、方程求解效率、接觸搜索算法等方面的改進，裂隙滲流模擬、蠕變變形模擬等實用功能的擴展和計算參數取值的討論，對近年來相關成果進行了較為系統全面的總結，使讀者可以更快地了解到該方法的研究現狀和學術前沿。以及應用部分，主要介紹了DDA方法在若干工程中的應用，重點講解了DDA在巖質邊坡穩定性分析中的應用方法、應用步驟和應用效果，可以對使用DDA方法的水利水電、煤炭、采礦、機械、地質、巖土等若干行業的工程設計人員提供重要參考，使讀者遇到類似工程時可以直接套用。
非連續變形分析——研究與應用(下冊) 目錄
目錄
前言
主要符號表
第7章 開裂與破碎 1
7.1 虛擬節理法 1
7.1.1 基于虛擬節理的模擬方法 1
7.1.2 虛擬節理的設置 2
7.1.3 算例及討論 5
7.2 塊體的開裂 7
7.2.1 開裂準則 7
7.2.2 開裂方向及位置 9
7.3 算例 11
7.4 本章小結 14
參考文獻 14
第8章 接觸的改進 15
8.1 引言 15
8.2 接觸搜索的改進——\角平分線" 法 16
8.2.1 方法介紹 16
8.2.2 程序實現 (基于 2002 版 dfb.c) 19
8.3 接觸剛度與接觸長度相關性 25
8.3.1 接觸長度相關剛度法 25
8.3.2 程序實現 28
8.4 非線性接觸剛度模型 28
8.4.1 分段線性接觸剛度模型 28
8.4.2 指數接觸剛度模型 31
8.4.3 程序實現 33
8.5 拉格朗日乘子法 33
8.6 增廣拉格朗日法 35
8.6.1 基本公式 35
8.6.2 迭代收斂準則 37
8.6.3 程序實現 38
8.7 增廣拉格朗日與指數接觸剛度模型相結合的混合法 40
8.8 算例 41
8.9 本章小結 43
參考文獻 44
第9章 功能擴充與改進 45
9.1 填筑、開挖與支護 45
9.1.1 填筑 45
9.1.2 開挖 46
9.1.3 支護 47
9.1.4 錨桿與錨索 48
9.1.5 程序實現 49
9.2 約束的改進 54
9.3 抗滑穩定安全系數 55
9.3.1 不允許滑動面局部屈服的安全系數 55
9.3.2 允許局部屈服時的抗滑穩定安全系數 58
9.3.3 不允許強度軟化時抗滑穩定計算 59
9.3.4 基于接觸力矢量和的抗滑穩定安全系數 61
9.3.5 程序實現 62
9.4 超載與降強 66
9.5 算例 70
9.6 本章小結 73
參考文獻 74
第10章 裂隙滲流與變形的耦合分析 75
10.1 引言 75
10.2 裂隙滲流模擬 76
10.2.1 廣義達西定律 76
10.2.2 裂隙閉合及張開時的過流面計算 79
10.2.3 恒定裂隙滲流有限元法 81
10.2.4 非恒定裂隙滲流 86
10.3 裂隙滲流與變形的耦合模擬 90
10.3.1 裂隙滲壓對塊體變形的影響——分布水壓荷載 91
10.3.2 考慮塊體變形的裂隙滲流 92
10.4 程序實現 93
10.4.1 裂隙滲流計算所需數據的輸入和生成 93
10.4.2 程序實現 96
10.5 驗證與算例 97
10.6 本章小結 102
參考文獻 103
第11章 蠕變的模擬 104
11.1 引言 104
11.2 蠕變模型 105
11.2.1 蠕變特性 105
11.2.2 常用蠕變模型 106
11.2.3 非線性蠕變模型 115
11.3 蠕變的 DDA 模擬 116
11.3.1 巖體構造面受力與蠕變特點 116
11.3.2 蠕變應變的遞推算法 118
11.3.3 塊體的蠕變計算 122
11.3.4 構造面的蠕變計算 123
11.4 算例 126
11.4.1 算例 11-1 126
11.4.2 算例 11-2 128
11.4.3 算例 11-3 130
11.5 本章小結 131
參考文獻 132
第12章 參數研究 133
12.1 DDA 計算使用的參數 133
12.2 靜力計算模式的參數取值 135
12.2.1 DDA 靜力方程 135
12.2.2 允許*大位移比 g2 137
12.2.3 時間步長 143
12.2.4 法向彈簧剛度 g0 與切向剛度的比值 h2 151
12.2.5 開閉判斷容差系數 f0 158
12.3 動力計算模式的參數取值 164
12.3.1 時間步長 164
12.3.2 碰撞問題的參數取值 173
12.4 本章小結 182
參考文獻 183
第13章 傾倒變形及破壞的模擬 184
13.1 引言 184
13.2 DDA 模擬與 Goodman-Bray 法的比較 187
13.2.1 Goodman-Bray 法 187
13.2.2 對 Goodman-Bray 法的幾點改進 189
13.2.3 Hoek-Bray 算例的 DDA 模擬 189
13.3 DDA 模擬與實驗的比較 191
13.3.1 石膏模型離心機實驗 191
13.3.2 塑料樂高塊傾倒模型離心機實驗 195
13.4 考慮局部破碎的傾倒破壞 DDA 模擬 200
13.5 考慮巖橋開裂反傾倒破壞的 DDA 模擬及與實驗的比較 201
13.6 本章小結 204
參考文獻 205
第14章 散粒體的數值模擬 206
14.1 砂性土的應力應變關系 206
14.1.1 應力應變關系 206
14.1.2 受力與變形特性及細觀機理 208
14.2 粗粒料大型三軸實驗的 DDA 模擬 214
14.2.1 模型 214
14.2.2 計算條件 216
14.2.3 單調加載的 DDA 模擬及與實驗結果比較 217
14.2.4 反復荷載作用下的分析結果及與實驗的比較 219
14.3 鐵路路基受力特性的模擬 220
14.3.1 計算模型和條件 220
14.3.2 反復荷載作用下的荷載{變形曲線 223
14.3.3 反復加卸載時的塑性變形 224
14.3.4 反復荷載作用下枕木的支撐狀態 224
14.3.5 反復荷載時道床石子的移動 225
14.4 落石的模擬 226
14.5 本章小結 230
參考文獻 230
第15章 邊坡穩定分析及失穩模擬 231
15.1 引言 231
15.2 Sarma 法簡介 231
15.3 典型算例——DDA 與 Sarma 法的比較 237
15.4 三峽大壩三號壩段深層抗滑穩定分析——Sarma 法與 DDA 的比較 243
15.4.1 Sarma 法計算結果 243
15.4.2 DDA 計算結果 245
15.5 武都水庫大壩深層抗滑穩定分析 258
15.5.1 大壩及基礎構造面 258
15.5.2 Sarma 法計算結果簡介 263
15.5.3 基于有限元應力的剛體極限平衡法的計算結果 265
15.5.4 DDA 計算結果 268
15.5.5 不同方法深層抗滑穩定分析結果比較 274
15.6 日本長井重力壩抗滑穩定分析——DDA 與有限元比較 275
15.7 本章小結 279
參考文獻 279
第16章 水對巖質邊坡變形影響的模擬 281
16.1 引言 281
16.2 水對巖質邊坡傾倒變形影響機理分析 ——Hoek-Bray 模型 282
16.2.1 無傾倒變形時的受力分析 283
16.2.2 不同摩擦角時的變形模式及穩定性 285
16.2.3 水對巖質邊坡傾倒變形與穩定的影響 286
16.2.4 水對傾倒變形影響的機理分析 290
16.2.5 小結 290
16.3 意大利瓦依昂特高拱壩近壩庫岸大滑坡的 DDA 模擬 291
16.3.1 情況簡介及基本資料 291
16.3.2 基本資料 296
16.3.3 參數反演 298
16.3.4 蓄水觸發瓦依昂滑坡的 DDA 模擬 309
16.3.5 小結 317
16.4 日本北海道豐濱隧道垮塌的模擬 318
16.5 本章小結 323
參考文獻 323
前言
主要符號表
第7章 開裂與破碎 1
7.1 虛擬節理法 1
7.1.1 基于虛擬節理的模擬方法 1
7.1.2 虛擬節理的設置 2
7.1.3 算例及討論 5
7.2 塊體的開裂 7
7.2.1 開裂準則 7
7.2.2 開裂方向及位置 9
7.3 算例 11
7.4 本章小結 14
參考文獻 14
第8章 接觸的改進 15
8.1 引言 15
8.2 接觸搜索的改進——\角平分線" 法 16
8.2.1 方法介紹 16
8.2.2 程序實現 (基于 2002 版 dfb.c) 19
8.3 接觸剛度與接觸長度相關性 25
8.3.1 接觸長度相關剛度法 25
8.3.2 程序實現 28
8.4 非線性接觸剛度模型 28
8.4.1 分段線性接觸剛度模型 28
8.4.2 指數接觸剛度模型 31
8.4.3 程序實現 33
8.5 拉格朗日乘子法 33
8.6 增廣拉格朗日法 35
8.6.1 基本公式 35
8.6.2 迭代收斂準則 37
8.6.3 程序實現 38
8.7 增廣拉格朗日與指數接觸剛度模型相結合的混合法 40
8.8 算例 41
8.9 本章小結 43
參考文獻 44
第9章 功能擴充與改進 45
9.1 填筑、開挖與支護 45
9.1.1 填筑 45
9.1.2 開挖 46
9.1.3 支護 47
9.1.4 錨桿與錨索 48
9.1.5 程序實現 49
9.2 約束的改進 54
9.3 抗滑穩定安全系數 55
9.3.1 不允許滑動面局部屈服的安全系數 55
9.3.2 允許局部屈服時的抗滑穩定安全系數 58
9.3.3 不允許強度軟化時抗滑穩定計算 59
9.3.4 基于接觸力矢量和的抗滑穩定安全系數 61
9.3.5 程序實現 62
9.4 超載與降強 66
9.5 算例 70
9.6 本章小結 73
參考文獻 74
第10章 裂隙滲流與變形的耦合分析 75
10.1 引言 75
10.2 裂隙滲流模擬 76
10.2.1 廣義達西定律 76
10.2.2 裂隙閉合及張開時的過流面計算 79
10.2.3 恒定裂隙滲流有限元法 81
10.2.4 非恒定裂隙滲流 86
10.3 裂隙滲流與變形的耦合模擬 90
10.3.1 裂隙滲壓對塊體變形的影響——分布水壓荷載 91
10.3.2 考慮塊體變形的裂隙滲流 92
10.4 程序實現 93
10.4.1 裂隙滲流計算所需數據的輸入和生成 93
10.4.2 程序實現 96
10.5 驗證與算例 97
10.6 本章小結 102
參考文獻 103
第11章 蠕變的模擬 104
11.1 引言 104
11.2 蠕變模型 105
11.2.1 蠕變特性 105
11.2.2 常用蠕變模型 106
11.2.3 非線性蠕變模型 115
11.3 蠕變的 DDA 模擬 116
11.3.1 巖體構造面受力與蠕變特點 116
11.3.2 蠕變應變的遞推算法 118
11.3.3 塊體的蠕變計算 122
11.3.4 構造面的蠕變計算 123
11.4 算例 126
11.4.1 算例 11-1 126
11.4.2 算例 11-2 128
11.4.3 算例 11-3 130
11.5 本章小結 131
參考文獻 132
第12章 參數研究 133
12.1 DDA 計算使用的參數 133
12.2 靜力計算模式的參數取值 135
12.2.1 DDA 靜力方程 135
12.2.2 允許*大位移比 g2 137
12.2.3 時間步長 143
12.2.4 法向彈簧剛度 g0 與切向剛度的比值 h2 151
12.2.5 開閉判斷容差系數 f0 158
12.3 動力計算模式的參數取值 164
12.3.1 時間步長 164
12.3.2 碰撞問題的參數取值 173
12.4 本章小結 182
參考文獻 183
第13章 傾倒變形及破壞的模擬 184
13.1 引言 184
13.2 DDA 模擬與 Goodman-Bray 法的比較 187
13.2.1 Goodman-Bray 法 187
13.2.2 對 Goodman-Bray 法的幾點改進 189
13.2.3 Hoek-Bray 算例的 DDA 模擬 189
13.3 DDA 模擬與實驗的比較 191
13.3.1 石膏模型離心機實驗 191
13.3.2 塑料樂高塊傾倒模型離心機實驗 195
13.4 考慮局部破碎的傾倒破壞 DDA 模擬 200
13.5 考慮巖橋開裂反傾倒破壞的 DDA 模擬及與實驗的比較 201
13.6 本章小結 204
參考文獻 205
第14章 散粒體的數值模擬 206
14.1 砂性土的應力應變關系 206
14.1.1 應力應變關系 206
14.1.2 受力與變形特性及細觀機理 208
14.2 粗粒料大型三軸實驗的 DDA 模擬 214
14.2.1 模型 214
14.2.2 計算條件 216
14.2.3 單調加載的 DDA 模擬及與實驗結果比較 217
14.2.4 反復荷載作用下的分析結果及與實驗的比較 219
14.3 鐵路路基受力特性的模擬 220
14.3.1 計算模型和條件 220
14.3.2 反復荷載作用下的荷載{變形曲線 223
14.3.3 反復加卸載時的塑性變形 224
14.3.4 反復荷載作用下枕木的支撐狀態 224
14.3.5 反復荷載時道床石子的移動 225
14.4 落石的模擬 226
14.5 本章小結 230
參考文獻 230
第15章 邊坡穩定分析及失穩模擬 231
15.1 引言 231
15.2 Sarma 法簡介 231
15.3 典型算例——DDA 與 Sarma 法的比較 237
15.4 三峽大壩三號壩段深層抗滑穩定分析——Sarma 法與 DDA 的比較 243
15.4.1 Sarma 法計算結果 243
15.4.2 DDA 計算結果 245
15.5 武都水庫大壩深層抗滑穩定分析 258
15.5.1 大壩及基礎構造面 258
15.5.2 Sarma 法計算結果簡介 263
15.5.3 基于有限元應力的剛體極限平衡法的計算結果 265
15.5.4 DDA 計算結果 268
15.5.5 不同方法深層抗滑穩定分析結果比較 274
15.6 日本長井重力壩抗滑穩定分析——DDA 與有限元比較 275
15.7 本章小結 279
參考文獻 279
第16章 水對巖質邊坡變形影響的模擬 281
16.1 引言 281
16.2 水對巖質邊坡傾倒變形影響機理分析 ——Hoek-Bray 模型 282
16.2.1 無傾倒變形時的受力分析 283
16.2.2 不同摩擦角時的變形模式及穩定性 285
16.2.3 水對巖質邊坡傾倒變形與穩定的影響 286
16.2.4 水對傾倒變形影響的機理分析 290
16.2.5 小結 290
16.3 意大利瓦依昂特高拱壩近壩庫岸大滑坡的 DDA 模擬 291
16.3.1 情況簡介及基本資料 291
16.3.2 基本資料 296
16.3.3 參數反演 298
16.3.4 蓄水觸發瓦依昂滑坡的 DDA 模擬 309
16.3.5 小結 317
16.4 日本北海道豐濱隧道垮塌的模擬 318
16.5 本章小結 323
參考文獻 323
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非連續變形分析——研究與應用(下冊) 節選
第7章 開裂與破碎 7.1 虛擬節理法 7.1.1 基于虛擬節理的模擬方法 所謂虛擬節理 (Artificial Joint) (人工節理) 法，是指將計算對象中的完整塊體，按照一定的規則分成子塊體 (單元)，子塊體與子塊體之間的界面上設定連接彈簧，給定抗拉及抗剪強度，當界面上的拉應力達到抗拉強度，或剪應力達到抗剪強度時，界面開裂或剪斷，虛擬節理成為真實節理，這樣即可以模擬完整塊體的開裂。當開裂界面把子塊體分割成獨立塊體時，即可模擬完整塊體的破碎。虛擬節理法 [1] *早由 T. C. Ke 在 1995 年提出，石根華發布的 DDA96 版已具備這項功能。 具體計算步驟如下： (1) 按一定規則設置虛擬節理，通過虛擬節理和真實結構面將計算對象切割成塊體； (2) 在虛擬節理處設置抗拉、抗剪強度 T0、C0、φ，將虛擬節理粘接進行計算； (3) 根據虛擬節理兩端的接觸力計算接觸線半長的平均應力； (4) 根據帶抗拉強度的 Mohr-Coulomb 準則判斷虛擬節理是否破壞，如破壞則虛擬節理變為實節理，即 (5) 修改已開裂節理的狀態，繼續計算。 圖 7-1 所示一完整塊體 ABCD; ef 為一虛擬節理，將塊體切割成兩個子塊，如取每個子塊為一個 DDA 單元，則計算對象由兩個塊體單元組成，給定子塊體的頂點編碼為 (1; 2; ; 10)，則圍成每個子塊體的頂點編碼為 塊體①中的 34 邊與塊體②中的 67 邊形成邊{邊接觸，給定該接觸邊的強度參數為：摩擦角φ，粘聚力 C，抗拉強度 T0。 則該接觸邊處于粘接狀態，存在抗拉抗壓強度和抗剪強度。34 邊與 67 邊的接觸在具體計算時分成兩段，由如下兩個接觸構成： 圖 7-1 虛擬節理切割的塊體 接觸長度中的 l 為 34 和 67 兩條邊的共線部分的長度，對于處于粘接狀態的接觸，l 即為邊 34 或 67 的長度。 在某一計算時刻，某接觸的法向應力或剪應力滿足帶抗拉強度的 Mohr-Coulomb準則，即滿足如下條件時接觸開裂或剪斷，從而由粘接狀態變為張開狀態或滑動接觸狀態： (7-1) 式中，N 為法向接觸力，N = Pndn; Pn 為法向接觸剛度，dn 為法向接觸距離；T =Ptdt; Pt 為切向接觸剛度，dt 為切向接觸距離。 7.1.2 虛擬節理的設置 1. 按規則網格設置虛擬節理 將計算對象的完整塊體，采用規則網格進行剖分，形成的每一個子塊為 DDA計算的單元。規則網格可采用三角形、四邊形、六邊形等，如圖 7-2 所示。規則網格的剖分密度視計算對象的物理力學特性和計算能力而定，一般來講，虛擬網格剖分得越密，計算精度越高，但會增大計算量，且會因為在虛擬節理上設置接觸彈簧而帶來附加變形。 圖 7-2 由規則網格剖分而成的虛擬節理 2. 與統計節理相結合的虛擬節理 巖石的節理裂隙一般滿足某種統計規律，基本參數為隙長、隙間距、裂隙的走向傾角等，裂隙和裂隙之間為巖橋連接 (見圖 7-3)。巖體在破壞時常需要*先剪斷巖橋使裂面貫通，直至巖體破壞。 圖 7-3 巖體內裂隙的分布 將巖體里裂隙分布的統計參數生成裂隙，進一步剖分 DDA 單元往往難以形成理想的計算單元或單個塊體中含有節理裂隙，而這些節理裂隙在形成 DDA 塊體時被舍掉；圖 7-3 所示的節理裂隙分布直接切割后生成的 DDA 塊體如圖 7-4 所示。 可以看出，當巖體內裂隙連通率較弱時，切不出理想的計算塊體。 在圖 7-3 所示的統計節理基礎上，在節理與節理之間用人工虛擬節理相連，則可形成實{虛節理相結合的節理分布，如圖 7-5 所示，圖中的虛擬節理用虛線表示。將存在實{虛節理的巖體進行 DDA 塊體切割，可以進一步剖分 DDA 單元，見圖 7-6，由虛實節理圍成的區域即構成 DDA 單元，用 DDA 求解時，實節理給定實際強度，而虛擬節理則給定巖塊的強度，這樣即可模擬巖體的開裂及破碎。 圖 7-4 圖 7-3 所示的裂隙分布生成的 DDA 塊體 圖 7-5 設置了虛擬模擬節理的巖體 圖 7-6 設置了虛擬節理的切割結果 7.1.3 算例及討論 例 7-1 純剪裂縫的擴展。 設有一 2m￡2m 的正方形平板，平板上預設一條長 1m 的裂縫，如圖 7-7 所示。在板的左側裂縫上側施加水平向右的荷載 F，研究平板的裂紋擴展問題。 圖 7-7 帶裂縫的剪切板 分別采用正三角形單元、正四邊形單元、正六邊形單元對圖 7-7 中的平板進行剖分，建立 DDA 計算模型。為了避免加載部位應力集中帶來的不利影響，在模型左側加載部位設置了墊片，計算時，通過墊片在 0.2s 內逐漸施加水平向右的荷載。 基于以上模型，用 DDA 方法模擬裂紋在剪切荷載作用下的擴展過程，計算采用參數見表 7-1。 表 7-1 計算參數 在單元尺寸相近的前提下，采用不同類型的單元，模擬裂紋的擴展過程，如圖 7-8 所示。 圖 7-8 采用相同密度不同形狀的網格模擬的純剪裂縫擴展 由于裂縫的擴展只能沿著虛擬節理，即網格的邊發展，因此裂縫擴展的軌跡受網格形狀影響較大，三角形、六邊形網格的裂縫擴展角小于實驗結果，四邊形網格的裂縫擴展軌跡與實驗結果接近。 采用三角形單元，基于不同的單元尺寸，建立具有不同網格密度的 DDA 模型，模擬裂紋的擴展過程，以比較網格密度對計算的影響，如圖 7-9 所示。
非連續變形分析——研究與應用(下冊) 作者簡介
張國新，男，1960年生。1978年考入清華大學水利系，1989年獲水工結構專業博士學位。現為中國水利水電科學研究院二級正高，博士生導師，國務院改府特殊津貼專家。兼任中國大壩工程學會副秘書長、理事、數值模擬專委會主任，長江技術經濟學會常務理事，中國水利學會水工結構專委會主任等職。 長期從事混凝土結構溫度應力仿真分析與溫度控制，水工結構數值方法，高壩工作性態與安全等研究。發表學術論文200余篇，獲國家科技進步獎二等獎3項，省部級科技進步獎特等獎5項、一等獎5項、二等獎13項，并獲中國科協突出貢獻獎、全國很好工程咨詢成果獎各1項，授權發明80項。 從事混凝土結構數值模擬方法研究和軟件研發與應用。經30多年自主研發的混凝土工程全過程仿真模擬軟件SapTis，具有溫度場、滲流場和應力場三場耦合及非線性模擬功能，已成功應用于三峽、錦屏一級、小灣、白鶴灘、烏東德、溪洛渡等近百座國內外大中型混凝土工程的仿真模擬分析，其中國內200m以上特高混凝土壩應用率達90％。主持的國家“十三五”高性能計算重點研發專項項目“復雜工程力學高性能應用軟件系統研制”，軟件模擬規模已達150億自由度、調用60萬核處理、并行度達到30％以上。
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