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危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。 相似文献
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三维流形单元的生成是进行三维数值流形分析的首要问题之一。详细研究了三维流形单元的生成过程,并采用C++语言编写了相应的程序。借鉴二维流形单元的形成技术,基于拓扑学的“有向性”原理,将点、有向边、有向环、有向面和有向壳等作为三维块体的基本数据结构。将材料体和数学网格进行布尔交运算,并对形成的流形块体进行有效性检测,满足要求后即形成新的三维流形单元。每个数学网格的顶点作为新流形单元的数学覆盖,再对数学覆盖进行细分,形成流形单元的物理覆盖。分别选取凹形体、空心体和包含有限结构面的材料体与数学网格进行布尔交运算,并选取一个典型工程来检查该方法和程序的可行性。计算结果表明,该方法可以对复杂块体（凹形体、空心体和包含有限结构面的体）进行处理,为今后进行复杂结构计算和分析奠定基础,具有较强的适应性和可靠性。 相似文献
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在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。 相似文献
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块体稳定性分析一般采用只考虑重力条件下的刚体极限平衡方法来进行计算,而没有考虑开挖卸荷后块体的二次应力场对块体的稳定性的影响。文中按照实际施工工序,对三峡地下电站主厂房的两大型顶拱边墙联合块体进行三维数值模拟分析。分析结果表明:块体的顶拱部分在开挖过程中垂直厂房轴线的水平方向始终为受压状态且压应力随开挖过程逐渐增大(其很难沿结构面“爬坡”失稳,因此对结构面的起伏度进行了研究,并统计确定了其在结构面强度参数中的贡献),而垂直应力在顶拱开挖结束时卸荷基本结束,变形相对较小,沿滑面向开挖区滑移;块体的边墙部分在两个方向均表现为卸荷,特别是垂直厂房轴线的水平方向卸荷明显,在其表部甚至出现拉应力区,变形以向开挖区水平变形为主,水平方向变形量为竖向变形量的7～9倍,且总变形量较顶拱部分大得多,因此块体边墙部分在失稳前并非沿块体滑面滑移,而是向开挖区水平卸荷回弹为主。基于数值模拟结果,对块体的可能失稳的变形规律和应力分布特征进行了分析,并且提出了块体稳定度的概念,从而对其稳定性作出相应的评价。 相似文献
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模拟岩石破裂过程的块体单元离散弹簧模型 总被引：2，自引：0，他引：2
在变形体离散元的基础上建立块体单元离散弹簧模型,并应用于岩石破裂过程的数值模拟研究。该模型以连续介质力学理论为基础,将块体单元离散为具有明确物理意义的弹簧系统,通过对弹簧系统的能量泛函求变分获得各弹簧的刚度系数,进而可以直接利用弹簧刚度求解单元的变形和应力,提高计算效率。以重力作用下的岩质边坡计算为例,通过与传统的有限元进行对比,验证该模型弹性计算结果的正确性。在该基础上,引入Mohr-Coulomb与最大拉应力的复合破坏准则,判断单元的破坏状态及破裂方向。当单元的内部破坏面确定后,则通过块体切割的方式实现单元破坏,并建立单元边界和单元内部的双重破裂机制,实现块体由连续到非连续的破裂过程,进而显示的模拟裂纹的形成和扩展。最后,以巴西圆盘劈裂、单轴压缩破裂以及三点弯曲梁等典型算例验证该方法,结果表明该方法可以较好地模拟拉伸、压剪等应力状态下裂纹的形成和扩展,从而可模拟岩石介质由连续到非连续的破裂过程。 相似文献
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岩体的块体结构和结构面网络模型生成,是进行各种力学分析和场分析的基础。详细研究了有限结构面进行复杂块体切割的过程,提出了相应的算法,并采用C++语言编写了相应的程序。为描述块体切割后的复连通特性,在块体数据结构中添加了有向壳的概念。结构面可以为简单的凸多边形,也可采用形态更加复杂的凹多边形。通过面-面求交线、交线环路搜索形成有向环、有向环包含关系分析形成有向面、有向面拓扑搜索形成有向壳和有向壳包含关系分析形成块体等过程,将有限结构面分别与各块体进行切割运算,形成进行块体切割的一般方法。在切割过程中将得到的有向环,有向面、有向壳和块体分别进行拓扑有效性校核,满足要求后得到最终的块体和结构面网络模型。选取4个算例来验证该方法的可行性。计算结果表明,该方法可以对复杂块体进行有效地切割,结构面可以选择包括凹形面在内的复杂多边形,方法具有普遍意义。 相似文献
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管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟 总被引：6，自引：0，他引：6
根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。 相似文献
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运用布尔碎片运算实现了简单的三维块体切割功能,形成覆盖整个求解域的六面体网格,再将六面体单元拆分生成48个四面体单元,从而生成四面体数学覆盖。运用布尔交运算将四面体单元与求解域求交集得到流形块体,再根据三维拓扑有向性原理和三维单纯形积分理论,形成了有向边、有向环、有向面和有向壳4种有向几何数据结构,用来构造生成封闭的有向三维流形单元。定义了有向流形单元的连通内面对和连通的有向流形单元的概念,利用有向流形单元的连通内面对搜索生成物理覆盖体系。概括总结了基于修正对称和反对称分解的三维数值流形元法的求解计算要点,在不考虑三维接触、三维裂纹尖端奇异场和三维裂纹扩展的假设下,模拟了三维节理面的有限塑性变形张拉过程,得到了比较合理的数值模拟结果,验证了前处理和计算求解算法的正确性。 相似文献
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新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。 相似文献
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基于数值流形法（NMM）进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。 相似文献
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高土石坝裂缝分析的变形倾度有限元法及其应用 总被引：1，自引：0，他引：1
土石坝张拉裂缝一般由坝体的不均匀沉降变形引起,是土石坝破坏的主要诱因和表现形式之一。将基于现场沉降监测资料的传统变形倾度法进行了扩展,通过在有限元计算程序中嵌入变形倾度计算模块,发展了基于有限元变形计算的变形倾度有限元法。该方法简洁实用,方便与常规有限元变形计算相耦合,可作为在工程设计阶段分析和估算土石坝是否会发生表面张拉裂缝的实用方法。应用所发展的变形倾度有限元法,以糯扎渡高心墙堆石坝工程为例,进行了坝体后期变形引起坝体表面发生张拉裂缝的敏感性计算分析,探讨了高土石坝变形倾度的分布规律以及与坝体后期变形的关系,发现对糯扎渡高心墙堆石坝,坝顶后期沉降最大值小于坝高0.39%,可作为防止发生坝顶横向张拉裂缝的控制工况。通过工程实例的计算,说明提出的方法可用于高土石坝的裂缝预测分析。 相似文献
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压实黏土的脆性断裂模型及有限元算法 总被引：4，自引：0，他引：4
利用弥散裂缝理论,提出了压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型.当压实黏土达到其极限抗拉强度后,通过建立单元的各向异性刚度矩阵,将土体裂缝弥散于实体单元,构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的有限元计算模式.通过对某压实黏土单轴拉伸试验成果的模拟计算,验证了构建的脆性断裂模型和有限元算法对土体拉伸破坏特性和裂缝发展过程的适用性.本文还进行了模拟软弱面水压“楔劈效应”的简单数值试验,表明压实黏土脆性开裂模型和算法可较好地模拟裂缝扩展行为. 相似文献
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An energy approach is proposed as a complement to the stress approach commonly considered for investigating soil desiccation cracking. The elastic strain energies before and after crack initiation are estimated by both numerical and analytical solutions. The energy released by cracking is then compared with the fracture energy to discuss crack initiation conditions. This leads to combined energy and stress conditions for crack initiation following Leguillon's theory. An approximate analytical solution is derived from a variational formulation of the porous elastic body equations. A cohesive zone model and finite element code are used to simulate crack propagation in an unsaturated porous body. This analysis shows that the energy criterion is reached before the stress criterion, and this can explain unstable crack propagation at the beginning. The approximate analytical solution allows predicting correctly the crack depth and opening in its initiation stage. 相似文献
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A simple three-dimensional heat transfer model is developed to consider the hindering effect of cracks on heat transfer. The 3D heat transfer model can also be applied to numerical methods such as the combined finite-discrete element method (FDEM), discrete element method (DEM), discontinuous deformation analysis (DDA), the numerical manifold method (NMM), and the finite element method (FEM) to construct thermo-mechanical coupling models that allow these methods to solve thermal cracking problems and dynamically consider the hindering effect of cracks on heat transfer. In the 3D heat transfer model, the continuous-discontinuous medium is discretized into independent tetrahedral elements, and joint elements are inserted between adjacent tetrahedral elements. Heat transfer calculations for continuous-discontinuous media are converted to heat conduction in tetrahedral elements and the heat exchange between the adjacent tetrahedral elements through the joint element. If the joint element between adjacent tetrahedral elements breaks (ie, a crack generates), the heat exchange coefficient of the joint element is reduced to account for the hindering effect of cracks on heat conduction. Then the model and the FDEM are combined to build a thermo-mechanical coupling model to simulate thermal cracking. The thermally induced deformation, stress, and cracking are investigated by the thermo-mechanical coupling model, and the numerical results are compared with analytical solutions or experimental results. The 3D heat transfer model and thermo-mechanical model can provide a powerful tool for simulating heat transfer and thermal cracking in a continuous-discontinuous medium. 相似文献
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章君政唐朝生巩学鹏周启友程青吕超施斌 《岩土力学》2023,(2):392-402
土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。 相似文献
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由应变能密度因子理论得出裂纹沿着形状改变比能密度因子最小的方向扩展,但理论中所使用的应力强度因子是在拉应力作用下计算得出的,而自然界中的岩体通常处于压应力场中。因此,在修正的应变能密度因子理论的基础上,结合压缩荷载作用下的裂纹尖端应力强度因子,并考虑裂纹面之间的摩擦作用得出了针对压缩荷载作用下的岩石裂纹扩展的应变能密度因子理论,并运用该理论分析了裂纹倾角、围压以及裂面摩擦力对破裂角的影响,将分析结果与已有的试验和数值分析结果进行比较,取得了良好的一致性。分析得出,在单轴压缩荷载作用下临界破裂荷载随着裂纹倾角的增大而先减小、后增大,并且一个裂纹倾角对应多个破裂角,即裂纹朝多个方向发展;在三轴压缩荷载作用下,破裂角与围压大小有关。此研究成果可为压应力场中岩石裂纹扩展的数值模拟提供参考。 相似文献
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Formulation and algorithmic treatment of a rate‐dependent plastic–damage model modified to capture large tensile cracking in cyclic‐loaded concrete structures are presented in detail for a three‐dimensional implementation. The plastic–damage model proposed by Lee and Fenves in 1998 was founded based on isotropic damaged elasticity in combination with isotropic multi‐hardening plasticity to simulate cracking and crushing of concrete under cyclic or dynamic loadings. In order that the model can capture large crack opening displacements, which are inevitable in plain concrete structures, the excessive increase in plastic strain causing unrealistic results in cyclic behaviors is prevented when the tensile plastic–damage variable controlling the evolution of tensile damage is larger than a critical value. In such a condition, the crack opening/closing mechanism becomes similar to discrete cracking. The consistent tangent operator required to accelerate convergence rate is also formulated for the large cracking state including viscoplasticity. The validation and performance of the modified algorithm implemented in a special finite element program is exemplified through several single‐element tests as well as three structural applications. The last example examines the model in the seismic fracture analysis of Koyna dam as a benchmark problem and the resulting crack profile is compared with the available experiment. The numerical experimentations well demonstrate that the developed model whose modification is necessary to properly simulate the cyclic behavior of plain concrete subjected to large tensile strains is robust and reasonably accurate. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献