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CDEM数值方法及GPU加速技术(3)
    时间:2012-5-15     点击率:25980

编者按: 基于连续介质力学的离散元方法CDEM(Continuum-based Discrete Element Method)是力学研究所非连续介质力学及工程灾害联合实验室李世海研究团队提出的一种数值算法。该方法将有限元与离散元进行耦合,不仅可以模拟材料在静、动载荷作用下连续或非连续的变形以及运动特性,还可以实现模拟材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程。该CDEM方法中包括弹性模型、塑性模型、断裂模型、蠕变模型、渗流模型等多种模型,并已在岩土工程、采矿工程、结构工程及水利水电工程等多个领域广泛应用。本刊将陆续介绍李世海团队所研发的CDEM数值方法、GPU加速技术及其应用。

    CDEM数值方法及GPU加速技术(3)

    CDEM的典型工程算例

    冯春

        在前面两部分的内容中,我们分别介绍了CDEM数值方法的基本原理及GPU的加速效果。在这一部分,我们将通过一系列的工程算例,来说明CDEM数值方法在地质体渐进破坏过程模拟中的优势。

    1、凉水井滑坡模拟
 
        凉水井滑坡位于重庆市云阳县故陵镇。三峡工程175米试验性蓄水后,凉水井滑坡出现了明显的滑动迹象。我们研究团队除了在该滑坡现场上安装大量的监测设备进行实时监测之外,还对该滑坡的发展演化机制进行了模拟分析。通过将数值模拟得到的裂缝与现场观察的宏观裂缝进行对比分析,获得了该滑坡所处的当前状态。图1为现场裂缝与数值裂缝的对比分析。


    图1 云阳凉水井滑坡模拟


    2、鸡尾山滑坡模拟

        武隆鸡尾山滑坡发生于2009年6月5日,位于重庆市武隆县铁矿乡,具有典型的运动性破坏特征,成灾范围达1500m,崩滑体积达700万m³。我们研究团队对该滑坡进行了现场考察,根据有关部门提供的初始地形图,建立了三维滑坡模型,并利用CDEM分析了该滑坡的成因及影响滑移距离的主要因素。图2为鸡尾山滑坡滑移过程的数值模拟结果。


    图2 重庆武隆鸡尾山滑坡的数值模拟


    3、唐家山滑坡模拟

        汶川地震后,距北川县城上游3.2km处的唐家山发生了特大型滑坡,滑坡冲入河谷,堵塞湔江河道,形成唐家山堰塞湖。我们研究团队除了携带地表位移监测设备开赴现场进行实时监测外,还利用CDEM对该滑坡的成因进行了数值模拟分析。根据分析,地震导致了唐家山深部顺层结构面强度的降低,从而诱发了该滑坡的启动。图3为顺层滑体的滑移过程,色带上的值为各单元的滑移距离。


    图3 地震诱发的唐家山滑坡数值模拟结果


    4、白蜡寨边坡的切坡分析

        云贵铁路线云南境内的白蜡寨车站,后方存在百米高的边坡,需要对其进行切坡处理,如此高的切坡在铁路边坡设计中是较少见到的。应设计部门的邀请,我们研究团队对该边坡进行了实地考察,并分别对无支挡结构切坡及带支挡结构切坡两种情况进行了数值分析,得到了两种工况下边坡的安全程度,为设计部门的科学设计提供了理论支持。图4为带支挡结构下切坡时边坡的竖直位移场(左)及锚杆、锚索的竖直位移场(右)。


    图4 云贵线白蜡寨车站高挖方边坡稳定性分析


    5、茅坪滑坡渗透特性分析

        位于湖北清江的茅坪滑坡是我们研究团队关注最久的一个滑坡,从2003年开始便对该滑坡进行了地表位移的监测。该滑坡的运动与降雨有明显关系,每到雨季该滑坡便出现一定的滑移。因此,我们研究团队的相关人员对该滑坡的渗透特性进行了分析,通过与现场水文钻孔的对比,获得了该滑坡深部导水带的等效渗透系数,以期对滑坡过程进行预测。图5为茅坪滑坡的现场照片(左)及渗透压力(右)。


    图5 茅坪滑坡等效渗透系数分析


    6、常村矿区域应力场分析

        由于CDEM采用了GPU进行加速,使得模拟区域应力场成为可能。山西常村矿所在地区的区域地质构造复杂,我们研究团队通过数值模拟获取了大、中构造带附近的应力场,可以为采矿方法及采掘路线的合理设计提供理论依据。图6为数值模型图(左)及最大主应力分布图(右)。


    图6 山西常村煤矿区域应力场分析

    7、隧道开挖诱发的地面沉降模拟

        在碎裂岩体中开挖隧道,如不进行及时支护,很容易诱发隧道塌方,对于浅埋隧道,则容易导致地表塌陷,甚至可能导致安全事故。图7给出了我们研究团队对浅埋隧道开挖中隧道塌陷过程的数值模拟研究结果。


    图7 碎裂岩体中隧道开挖引起的地表沉降模拟


    8、TBM滚刀的破岩机理

        TBM(Tunnel Boring Machine)是各类隧道、巷道开挖的主要掘进工具。在掘进过程中,TBM刀头的选择是一门学问。不同的地层岩性及不同的围岩应力,需要选择不同的刀头。因此,我们研究团队对TBM的破岩机理进行了研究,从而可以为TBM刀头的合理设计提供理论依据。图8为我们给出的单个刀头切割岩体时的破裂过程。


    图8 TBM滚刀破岩机理模拟


    9、冷却塔及烟囱爆破拆除的模拟

        CDEM除了在岩土工程、采矿工程中得到广泛应用外,还在工民建领域有着广泛的应用,如图9及图10展示的是我们研究团队利用CDEM进行的冷却塔及烟囱爆破拆除的模拟结果,它可以为爆破拆除的方案设计和工程实施提供参考依据。


    图9 冷却塔爆破拆除的数值模拟


    图10 200m烟囱爆破拆除的数值模拟


        通过上述典型算例,可以预见,随着计算机技术及CDEM数值计算方法的不断发展,利用CDEM进行真实尺度滑坡全过程的再现将不再遥远。非连续介质力学及工程灾害联合实验室的全体成员也将竭尽全力,充分利用GPU的并行加速优势,真正做到“让数值计算插上飞翔的翅膀”。