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本文针对新型有限元——基于余能原理的基面力元法在岩体工程中的应用进行了研究,其主要工作如下: (1)学习研究了余能原理基面力元模型,给出了单元柔度矩阵具体表达式、基面力元法的支配方程和节点位移表达式。 (2)在已有的余能原理基面力元法MATLAB软件的基础上,对余能原理基面力元法在工程中遇到的问题进行了研究:编制了相应的网格自动剖分转换软件,完成前处理工作;进行自重加载,并对自重加载后的基面力元程序进行了改进;引入多种材料模型。结合一些典型问题进行了数值计算,并将数值结果与理论解、大型通用有限元软件ABAQUS中的平面四节点等参元(Q4单元)和平面四节点减缩积分单元(Q4R单元)模型解进行了对比分析。 (3)结合岩石力学中的典型算例,将数值结果与大型通用有限元软件ABAQUS中的Q4和Q4R模型解进行对比分析,对基面力元法在岩石力学中的适用性进行了研究,并分析单元长宽比对计算性能的影响。 (4)针对岩体力学中的裂纹扩展问题和边坡、坝基稳定分析问题进行了非线性基面力元法的功能完善和可靠性研究,利用非线性基面力元法程序追踪了裂纹扩展,计算了稳定分析的安全系数,探索了非线性余能原理基面力元法在岩体力学中的适用性。 (5)针对岩体工程中的软弱夹层情况,利用薄基面力元来模拟软弱夹层,建立了岩体软弱带的损伤判据,编制了损伤分析问题的余能原理非线性基面力元法程序;定义了损伤问题余能原理基面力元法中的岩体稳定安全系数,并通过算例进行了验证。 通过本文的研究,论证了本文建立的非线性基面力元法模型的正确性,同时也验证了基面力元法程序、网格自动剖分程序在岩体力学中的适用性。研究结果表明:基面力元法程序计算所得结果与理论解、ABAQUS解相吻合,具有较高的计算精度和较好的计算性能;非线性基面力元法在裂纹扩展追踪和含软弱夹层的边坡、坝基稳定分析中能够适用,简单有效,在岩体力学问题中的应用有较好的前景。