巖土體災(zāi)變過程多尺度數(shù)值分析方法研究.pdf

1、土體由大量土顆粒構(gòu)成，其災(zāi)變過程是由微觀顆粒、細(xì)觀材料到宏觀場(chǎng)地多尺度級(jí)聯(lián)耦合漸進(jìn)演化的結(jié)果。傳統(tǒng)土力學(xué)基于連續(xù)介質(zhì)假定，不能反映巖土體災(zāi)變破壞過程中顆粒間接觸脫開、顆粒劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)和顆粒破碎等微觀尺度行為，多尺度數(shù)值模擬是再現(xiàn)巖土體災(zāi)變過程的有效手段。論文針對(duì)兩種典型災(zāi)變破壞現(xiàn)象，即應(yīng)變局部化災(zāi)變破壞和非應(yīng)變局部化災(zāi)變破壞，開展多尺度數(shù)值模擬方法研究，取得如下研究成果:
　　(1)針對(duì)應(yīng)變局部化巖土體災(zāi)變問題，將剪切帶等局部化帶的弱

2、非連續(xù)變形等效為無厚度的強(qiáng)非連續(xù)變形帶，采用黏聚區(qū)域模型刻畫剪切帶的變形特性和能量耗散機(jī)制，基于增強(qiáng)有限單元法構(gòu)造出無厚度剪切帶單元，提出了基于黏聚區(qū)域模型的增強(qiáng)有限元分析方法。邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)破壞過程的分析表明，基于黏聚區(qū)域模型的增強(qiáng)有限元分析方法能夠很好地再現(xiàn)剪切帶的擴(kuò)展過程，不存在網(wǎng)格敏感性等問題;剪切帶的應(yīng)變軟化特性對(duì)滑裂面形狀的影響不大，但極大地降低了邊坡的極限承載能力。
　　(2)針對(duì)非應(yīng)變局部化災(zāi)變問題，采用基于位移/速

3、度協(xié)調(diào)和基于力協(xié)調(diào)的兩種界面耦合方法實(shí)現(xiàn)有限元與離散元的多尺度耦合。算例表明，基于位移/速度協(xié)調(diào)的界面耦合方法不可避免地引起耦合系統(tǒng)的模糊反射;基于力協(xié)調(diào)的界面耦合方法允許離散元顆粒與有限元單元邊界的接觸分離，能夠有效地再現(xiàn)離散元模型和有限元模型的接觸作用及動(dòng)量和能量交換過程。
　　(3)基于給定不同的加權(quán)函數(shù)分別引入不同尺度模型的截?cái)噙吔绾婉詈蠀^(qū)域，通過耦合區(qū)域內(nèi)位移/速度、力協(xié)調(diào)條件，提出有限元與離散元耦合的廣義橋域法。根據(jù)加

4、權(quán)函數(shù)的不同取法，廣義橋域法可以退化得到傳統(tǒng)的橋域法和邊-邊界面耦合方法;適當(dāng)選取加權(quán)函數(shù)可實(shí)現(xiàn)有限元-離散元耦合和離散元-有限元耦合區(qū)域分離，得到協(xié)調(diào)條件相互獨(dú)立的分離區(qū)域耦合方法和分離界面耦合方法。本文還構(gòu)造了有限元單時(shí)步對(duì)離散元多時(shí)步的時(shí)間積分算法。數(shù)值算例表明，分離區(qū)域耦合方法和分離界面耦合方法能夠有效地避免模糊反射。橋域法和邊-邊耦合方法通過將高頻波轉(zhuǎn)化為低頻波實(shí)現(xiàn)能量守恒;而分離區(qū)域耦合方法和分離界面耦合方法則將有限元模型不

5、能描述的高頻部分截?cái)?，耦合系統(tǒng)存在能量損失，隨有限單元的細(xì)劃和高頻響應(yīng)分量的減少而降低。有限元單時(shí)步對(duì)離散元多時(shí)步時(shí)間積分算法極大地提高了計(jì)算效率。
　　(4)在離散元開源軟件Yade中實(shí)現(xiàn)了有限元與離散元的廣義橋域耦合，編制了巖土體災(zāi)變過程的多尺度數(shù)值分析平臺(tái)。多尺度模型的模擬結(jié)果與離散元模型的模擬結(jié)果相當(dāng)，但計(jì)算效率有了很大的提高。
　　(5)采用廣義橋域法模擬靜力觸探過程，再現(xiàn)了探頭附近土顆粒流動(dòng)現(xiàn)象，揭示了不同錐尖角