邊坡及基礎(chǔ)工程數(shù)值分析新進(jìn)展

前言

　　邊坡穩(wěn)定性和地基承載力問(wèn)題涉及土體極限狀態(tài)及破壞機(jī)理，傳統(tǒng)的分析方法較多采用基于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的簡(jiǎn)化公式，并在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。由于邊坡及地基的破壞過(guò)程涉及大變形問(wèn)題，采用傳統(tǒng)方法難以有效分析其漸進(jìn)破壞過(guò)程中的工程性狀，因此近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以有限元法為代表的，特別是能分析大變形問(wèn)題的各種數(shù)值計(jì)算方法在巖土工程中得到大量應(yīng)用，以便有效分析邊坡及地基等破壞過(guò)程中的工程性狀?！　”緯赜贏LE有限元法及RKPM無(wú)網(wǎng)格法在邊坡穩(wěn)定分析和淺基礎(chǔ)承載力計(jì)算中的應(yīng)用，并展示其模擬這些問(wèn)題的適用性。作為將新的計(jì)算力學(xué)理論方法用于巖土工程分析的嘗試，本書主要介紹了ALE有限元法及RKPM無(wú)網(wǎng)格法的基本理論及數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，還介紹了其在土質(zhì)邊坡、放坡基坑開挖、填筑路堤穩(wěn)定分析及淺基礎(chǔ)承載力分析方面的許多算例，其中包括幾個(gè)工程實(shí)例的分析。為了推進(jìn)這些數(shù)值計(jì)算方法在巖土工程中的應(yīng)用，尚需深入研究并選擇合理的土性本構(gòu)關(guān)系及其參數(shù)?！　”緯卜譃?章，第1章介紹了ALE有限元法和無(wú)網(wǎng)格法的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)單介紹了本書的主要研究?jī)?nèi)容；第2章介紹了ALE有限元法及RKPM無(wú)網(wǎng)格法的基本理論及數(shù)值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合簡(jiǎn)單算例對(duì)程序進(jìn)行了驗(yàn)證分析；第3章在介紹邊坡穩(wěn)定分析方法及其破壞判斷準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，提出了有限元法分析邊坡失穩(wěn)的破壞判斷準(zhǔn)則。　　第4章主要介紹了大變形ALE有限元法在邊坡工程中的應(yīng)用。采用分岔理論簡(jiǎn)單研究了邊坡中的局部化問(wèn)題，并采用強(qiáng)度折減法分別對(duì)均質(zhì)土質(zhì)邊坡、雙層地基上土質(zhì)邊坡、含軟弱夾層的黏土邊坡等的邊坡穩(wěn)定性及其失穩(wěn)破壞性狀進(jìn)行了分析，同時(shí)分析了一失穩(wěn)邊坡的工程實(shí)例?！　〉?章采用RKPM無(wú)網(wǎng)格法分析了邊坡工程問(wèn)題。采用強(qiáng)度折減法分析了均質(zhì)土質(zhì)邊坡、雙層地基上土質(zhì)邊坡、含軟弱夾層的黏土邊坡等的穩(wěn)定性及破壞性狀，并分析了一失穩(wěn)破壞的邊坡工程實(shí)例?！　〉?章采用大變形ALE有限元法分析了基坑開挖問(wèn)題。結(jié)合放坡基坑開挖工程的特點(diǎn)，采用彈塑性模型及應(yīng)變軟化模型對(duì)基坑的放坡開挖失穩(wěn)破壞性狀進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析。

內(nèi)容概要

本書采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)有限元法及再生核質(zhì)點(diǎn)(RKPM)無(wú)網(wǎng)格法分析邊坡、基坑、路堤等的穩(wěn)定性和地基極限承載力。內(nèi)容主要包括：ALE有限元法及RKPM無(wú)網(wǎng)格法的基本理論；采用ALE有限元法及RKPM無(wú)網(wǎng)格法分析均質(zhì)、雙層及含軟弱夾層的天然土質(zhì)邊坡的破壞性狀及穩(wěn)定性；采用基于Mohr-Coulomb非軟化模型、軟化模型的ALE有限元法分析軟土地基上基坑放坡開挖過(guò)程及其破壞性狀；采用ALE有限元法研究單層和雙層地基上路堤的快速填筑過(guò)程及其破壞性狀；采用RKPM無(wú)網(wǎng)格法討論流動(dòng)法則及基底粗糙程度對(duì)條形基礎(chǔ)承載力系數(shù)的影響。    本書可供從事基礎(chǔ)及邊坡工程數(shù)值計(jì)算研究的科研及教學(xué)人員使用，也可供廣大土木工程設(shè)計(jì)、施工等方面的T程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  ALE有限元法的研究現(xiàn)狀    1.2.1  ALE描述在流體力學(xué)及流固耦合問(wèn)題的應(yīng)用    1.2.2  ALE法在固體力學(xué)中的應(yīng)用    1.2.3  ALE法的網(wǎng)格算法研究  1.3  無(wú)網(wǎng)格法研究進(jìn)展    1.3.1  無(wú)網(wǎng)格法的研究歷史    1.3.2  無(wú)網(wǎng)格法的近似函數(shù)及離散方案    1.3.3  無(wú)網(wǎng)格法與有限元法的比較  1.4  本書的主要內(nèi)容第2章  理論基礎(chǔ)及程序驗(yàn)證  2.1  引言  2.2  ALE有限元法的基本理論簡(jiǎn)介    2.2.1  ALE方法基本描述    2.2.2  ALE基本控制方程及有限元離散    2.2.3  ALE有限元程序及驗(yàn)證  2.3  RKPM法的基本理論及其核函數(shù)    2.3.1  RKPM法的基本理論    2.3.2  RKPM的核函數(shù)    2.3.3  一種變換的RKPM形函數(shù)  2.4  RKPM的離散形式與驗(yàn)證    2.4.1  二維彈性問(wèn)題的基本方程    2.4.2  變分原理及離散形式    2.4.3  RKPM的數(shù)值積分方案    2.4.4  簡(jiǎn)單數(shù)值算例  2.5  彈塑性增量分析RKPM求解格式    2.5.1  彈塑性增量分析RKPM求解格式    2.5.2  地基承載力算例分析  2.6  本章小結(jié)第3章  邊坡穩(wěn)定分析方法及破壞判斷準(zhǔn)則  3.1  引言  3.2  邊坡極限平衡法及其研究進(jìn)展    3.2.1  滑移線法(上限解)    3.2.2  極限平衡分析條分法  3.3  邊坡穩(wěn)定有限元分析的發(fā)展  3.4  強(qiáng)度折減法發(fā)展及研究現(xiàn)狀  3.5  有限元方法分析邊坡失穩(wěn)的破壞判斷準(zhǔn)則  3.6  本章小結(jié)第4章  土質(zhì)邊坡穩(wěn)定ALE有限元法分析  4.1  引言  4.2  分岔理論局部化判斷標(biāo)準(zhǔn)及土質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞分析    4.2.1  常用的應(yīng)變局部化分析方法    4.2.2  應(yīng)變局部化的產(chǎn)生條件    4.2.3  分岔理論局部化判斷準(zhǔn)則在土質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞中的應(yīng)用  4.3  均質(zhì)土質(zhì)邊坡的漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定分析    4.3.1  有限元計(jì)算因素及影響因素分析    4.3.2  均質(zhì)土質(zhì)邊坡的漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定分析算例  4.4  雙層及含軟弱夾層地基的土質(zhì)邊坡破壞及穩(wěn)定分析    4.4.1  雙層地基邊坡的破壞性狀及穩(wěn)定分析    4.4.2  帶有軟弱夾層黏土邊坡的破壞性狀及穩(wěn)定分析  4.5  邊坡工程實(shí)例分析    4.5.1  杜湖嶺滑坡巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)    4.5.2  杜湖嶺滑坡的地下水、滑坡體特征及滑坡破壞形成機(jī)制    4.5.3  杜湖嶺滑坡穩(wěn)定及破壞的大變形有限元分析  4.6  本章小結(jié)第5章  土質(zhì)邊坡穩(wěn)定RKPM分析  5.1  引言  5.2  基于RKPM的邊坡穩(wěn)定性的影響因素分析    5.2.1  離散點(diǎn)密度的影響    5.2.2  屈服準(zhǔn)則的影響    5.2.3  流動(dòng)法則的影響  5.3  基于應(yīng)變分析的臨界滑動(dòng)面確定方法    5.3.1  臨界滑裂面的搜索方法    5.3.2  依據(jù)滑裂面確定安全系數(shù)    5.3.3  臨界滑面搜索算例  5.4  雙層及含軟弱夾層土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析    5.4.1  雙層地基邊坡的破壞性狀及穩(wěn)定分析    5.4.2  含軟弱夾層土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析  5.5  邊坡工程實(shí)例分析    5.5.1  滑坡區(qū)地形地貌    5.5.2  滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件    5.5.3  水文地質(zhì)條件    5.5.4  滑坡分布特征及RKPM分析  5.6  本章小結(jié)第6章  軟土地區(qū)基坑放坡開挖的ALE有限元破壞分析  6.1  引言  6.2  軟黏土的工程性質(zhì)及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系    6.2.1  Mohr-Coulomb軟化模型    6.2.2  有限元計(jì)算中軟化模型的選擇  6.3  均質(zhì)基坑放坡開挖破壞性狀研究    6.3.1  均質(zhì)軟土地基放坡開挖的非軟化分析    6.3.2  均質(zhì)基坑放坡開挖軟化分析    6.3.3  側(cè)向土壓力系數(shù)取值對(duì)基坑放坡開挖計(jì)算的影響  6.4  軟土基坑放坡開挖破壞實(shí)例分析    6.4.1  某大樓基坑放坡開挖的非軟化分析    6.4.2  某大樓基坑放坡開挖的軟化分析  6.5  本章小結(jié)第7章  軟土地基上填筑路堤性狀分析的ALE有限元分析  7.1  引言  7.2  單層地基上路堤填筑有限元分析    7.2.1  基于Mohr-Coulomb模型的單層地基上路堤填筑有限元分析    7.2.2  地基土體及填土性質(zhì)對(duì)臨界填筑高度及破壞性狀的影響  7.3  雙層地基上路堤填筑的有限元破壞分析    7.3.1  硬殼層強(qiáng)度相等情況下雙層地基上路堤填筑有限元分析    7.3.2  硬殼層強(qiáng)度不等情況下雙層地基上路堤填筑的有限元分析  7.4  連云港路堤填筑實(shí)例破壞分析    7.4.1  路堤填筑試驗(yàn)概況    7.4.2  填筑路堤破壞過(guò)程及其破壞性狀    7.4.3  填筑路堤破壞的有限元分析  7.5  本章小結(jié)第8章  條形淺基礎(chǔ)極限承載力RKPM分析  8.1  引言  8.2  地基承載力的傳統(tǒng)理論方法    8.2.1  極限平衡法    8.2.2  滑移線場(chǎng)法    8.2.3  極限分析法  8.3  地基再生核質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算模型    8.3.1  計(jì)算模型    8.3.2  重力荷載的施加  8.4  地基承載力系數(shù)比較分析    8.4.1  土體模型及參數(shù)    8.4.2  承載力系數(shù)Nc    8.4.3  承載力系數(shù)Nq    8.4.4  承載力系數(shù)Nr    8.4.5  地基極限承載力比較  8.5  雙層地基極限承載力分析    8.5.1  基礎(chǔ)寬度及超載對(duì)承載力的影響    8.5.2  基底粗糙度及砂層厚度對(duì)承載力的影響  8.6  本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　拉格朗日和歐拉運(yùn)動(dòng)描述方法上存在差異，純拉格朗日和純歐拉描述都存在各自的缺陷，但也具有各自的優(yōu)勢(shì)。如果能將兩者有機(jī)地結(jié)合，充分吸收各自處理問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，克服各自的缺點(diǎn)，則可解決那些只用純拉格朗日或純歐拉描述所解決不了的問(wèn)題。在研究中，克服拉格朗日方法網(wǎng)格相交的一個(gè)有效措施是重分網(wǎng)格；這就是每一步（對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)而言）或相隔若干步，將拉格朗日網(wǎng)格重新劃分，把由于扭曲而顯得畸形的網(wǎng)格換成盡可能規(guī)整的新網(wǎng)格；新網(wǎng)格的力學(xué)量根據(jù)舊網(wǎng)格上的力學(xué)量按照質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒的原則加以重新計(jì)算。當(dāng)然，這樣的拉格朗日方法嚴(yán)格說(shuō)來(lái)已經(jīng)不再是跟蹤物體運(yùn)動(dòng)的純拉格朗日方法，而是一種歐拉方法和拉格朗日方法相結(jié)合的新方法——任意拉格朗日一歐拉法（arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）。　　ALE方法最早由Noh（1964）以耦合歐拉一拉格朗日的術(shù)語(yǔ)提出，并且與有限差分法相結(jié)合，求解了一個(gè)帶有移動(dòng)邊界的二維流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。　　ALE描述為拉格朗日描述和歐拉描述的聯(lián)合使用提供了一條有效的途徑。它的一個(gè)重要特征是將計(jì)算網(wǎng)格基于參考坐標(biāo)進(jìn)行劃分，計(jì)算網(wǎng)格可以在空間中以任意的形式運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)計(jì)算網(wǎng)格可以獨(dú)立于物質(zhì)坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。這樣通過(guò)規(guī)定合適的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)形式可以準(zhǔn)確地描述物體的移動(dòng)界面，并使單元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持合理形狀，克服了純拉格朗日描述和純歐拉描述的缺陷。類似于歐拉描述，在ALE描述下的控制方程中也將出現(xiàn)對(duì)流項(xiàng)，因此也可能得到振蕩解，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理。實(shí)際上，純粹的拉格朗日描述和歐拉描述是ALE描述的兩個(gè)特例，即當(dāng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)速度等于物體的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，ALE描述就退化為拉格朗日描述，而當(dāng)網(wǎng)格固定在空間不動(dòng)時(shí)，ALE描述就退化為歐拉描述，因此ALE描述提供了一種將兩種描述方法統(tǒng)一的描述，其對(duì)比如圖1.1所示。

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