<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">59750</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2025.059750</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>An Improved Local RBF Collocation Method for 3D Excavation Deformation Based on Direct Method and Mapping Technique</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">An Improved Local RBF Collocation Method for 3D Excavation Deformation Based on Direct Method and Mapping Technique</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">An Improved Local RBF Collocation Method for 3D Excavation Deformation Based on Direct Method and Mapping Technique</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Deng</surname><given-names>Cheng</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Zheng</surname><given-names>Hui</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref><xref rid="cor1" ref-type="corresp">&#x002A;</xref><email>zhenghui@ncu.edu.cn</email></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Gong</surname><given-names>Liangyong</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Zhang</surname><given-names>Rongping</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Wang</surname><given-names>Mengqi</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Technology Center, Zhongheng Construction Group Co., Ltd.</institution>, <addr-line>Nanchang, 330200</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>School of Infrastructure Engineering, Nanchang University</institution>, <addr-line>Nanchang, 330031</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-3"><label>3</label><institution>Zienkiewicz Centre for Computational Engineering, Swansea University</institution>, <addr-line>Swansea, SA2 8PP</addr-line>, <country>UK</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Hui Zheng. Email: <email>zhenghui@ncu.edu.cn</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2025</year></pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic">
<day>27</day>
<month>01</month>
<year>2025</year></pub-date>
<volume>142</volume>
<issue>2</issue>
<fpage>2147</fpage>
<lpage>2172</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>10</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>12</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2025 The Authors.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Published by Tech Science Press.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_59750.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Since the plasticity of soil and the irregular shape of the excavation, the efficiency and stability of the traditional local radial basis function (RBF) collocation method (LRBFCM) are inadequate for analyzing three-dimensional (3D) deformation of deep excavation. In this work, the technique known as the direct method, where the local influence nodes are collocated on a straight line, is introduced to optimize the LRBFCM. The direct method can improve the accuracy of the partial derivative, reduce the size effect caused by the large length-width ratio, and weaken the influence of the shape parameters on the LRBFCM. The mapping technique is adopted to transform the physical coordinates of a quadratic-type block to normalized coordinates, in which the deformation problem can easily be solved using the direct method. The stability of the LRBFCM is further modified by considering the irregular shape of 3D excavation, which is divided into several quadratic-type blocks. The soil&#x2019;s plasticity is described by the Drucker-Prager (D-P) model. The improved LRBFCM is integrated with the incremental method to analyze the plasticity. Five different examples, including strip excavations and circular excavations, are presented to validate the proposed approach&#x2019;s efficiency.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Radial basis function collocation method</kwd>
<kwd>irregular shape</kwd>
<kwd>excavation</kwd>
<kwd>elastic-plasticity</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>National Natural Science Foundation of China</funding-source>
<award-id>12172159</award-id>
<award-id>12362019</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>The excavation is a kind of retaining structure, which is usually performed in congested urban areas to ensure the safety of the underground space [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>]. The deformation is a key indicator used to assess the stability of excavation. Investigators have carried out a lot of numerical methods to calculate and predict excavation deformation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>], but some difficulties still exist in the numerical simulation of excavation. One of the difficulties comes from the elastic-plasticity of soil. The Drucker-Prager (D-P) model [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>], which is modified from the Mises yield model and takes into account the influence of the first stress invariant, is usually used to describe the plasticity in the soil. In order to deal with the elastic-plastic deformation, the incremental theory is applied to reflect the influence of the stress path. However, the incremental theory is based on the accurate and stable calculation in each incremental step, otherwise the error would continuously accumulate. Additionally, the size effect caused by various excavation shapes is often present in excavation engineering, such as the circular excavation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>]. The circular excavation shape can reduce the lateral deformation due to the circumferential hoop force. Therefore, a three-dimensional (3D) geotechnical model with a relatively complex shape is necessary for excavation simulation. A typical excavation is mainly composed of the soil and support structure which must be considered separately. In this structure, the support part typically has a large length-width ratio. It is not efficient to use the same node arrays or elements in different axis directions for this kind of 3D problem.</p>
<p>The finite element method (FEM) is commonly used to simulate the practical problems of excavation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]. Although the FEM has the advantages such as a simple principle and strong adaptability, some meshless methods show advantages over the FEM in computational efficiency, accuracy, solving high-dimensional problems, and handling complex geometries [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>]. In the last decade, some meshless methods were applied to solve boundary value problems, such as the method of the fundamental solution [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>] and the boundary knot method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>]. In order to avoid dense matrices, various localized techniques have been employed, leading to the development of many different localized methods, such as the localized boundary knot method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>] and the localized method of fundamental solutions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>]. The local radial basis function collocation method (LRBFCM), which is modified from the global radial basis function collocation method, and the interpolation calculation is applied in a local domain, is one of the famous localized meshless methods [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>]. By using LRBFCM, some elastic-plasticity problems and other nonlinear problems could be solved [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. Our tests have shown that the traditional LRBFCM is difficult to directly combine with the incremental method for solving elastic-plastic excavation problems, as its accuracy and stability need improvement. The traditional LRBFCM exhibits poor accuracy in solving first-order derivatives, as analyzed in reference [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>]. These first-order derivatives are prevalent in the excavation problems, as they arise not only from the stress boundary conditions but also from the governing equations themselves. Additionally, the accuracy of the RBF collocation method is greatly influenced by the value of the shape parameter. Although there is no universal and simple method to obtain the optimal shape parameters so far, scholars have realized that the shape parameters are mainly influenced by the Euclidean distances between collocation nodes [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>]. Zheng et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>] proposed the direct method, where the nodes on a straight line are used to construct the first-order derivative matrix to address the instability problem in dealing with Neumann boundary conditions. This method can also significantly improve the accuracy of the computation of first-order partial derivatives. Through further research, the direct method can be extended to the partial derivative computation for interior nodes to improve the computational accuracy and reduce the influence of shape parameters [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>]. Furthermore, we find the direct method could also improve calculation efficiency in the simulation of the large length-width ratio shape problems, such as the excavation&#x2019;s support structure in this work.</p>
<p>In actual excavation engineering, excavations often have irregular shapes, which are difficult to describe in simulations. There are many numerical methods available for solving problems with complex boundary shapes, including the localized boundary knot method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>], the radial basis function collocation method (RBFCM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>], and the method of approximate particular solutions (MAPS) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]. Zheng et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>] applied the fictitious nodes method to optimized the LRBFCM to solve the arbitrary shape problems, but the efficiency of describing irregular boundary shapes with this method is still not high enough for the excavation problems. Wen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>] proposed the mapping technique in the finite block method (FBM) for the shape problems. By using the mapping technique, a quadratic-type domain was transformed from physical coordinates to normalized coordinates. The partial differential operators in the irregular physical domain were addressed by differential operators in the transformed normalized domain. The collocation nodes in this normalized domain can be distributed uniformly [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>]. In this paper, the mapping technique is applied to LRBFCM to solve excavation problems. The irregular shape of the 3D excavation is described using several quadratic-type blocks.</p>
<p>In this paper, the optimized LRBFCM is applied in 3D excavation deformation calculation. The direct method and the mapping technique is employed to improve the traditional LRBFCM, making it possible to apply the LRBFCM to excavation problems and harnessing the algorithm&#x2019;s advantages in accuracy and efficiency.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>LRBFCM and the Numerical Technique</title>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Indroduction of the LRBFCM</title>
<p>In the formulation of LRBFCM, the field variable <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be approximated by
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of local nodes, <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the undetermined coefficient, <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is radial basis function (RBF). In this work, the following multi-quadratic (MQ) RBF is employed:
<disp-formula id="ueqn-2"><mml:math id="mml-ueqn-2" display="block"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the shape parameter and <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the Euclidean distance between points <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For traditional LRBFCM, the nearest neighboring nodes of the observation node are usually employed as the local nodes <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref> shows the condition of the local nodes as <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Sketch of the local nodes as <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-1.tif"/>
</fig>
<p>In the local influence domain, <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the solution is approximated by
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="ueqn-4"><mml:math id="mml-ueqn-4" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eq. (2)</xref> can be rewritten as
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-3">Eq. (3)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>, the field quantity and its differential form can be expressed as
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the differential operator, <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> are vectors with the size of <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Let <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. By strategically adding zero elements in appropriate positions, <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be converted into the global sparse vectors <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the size of <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total number of global collocation nodes:
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>local&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x21D2;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>global&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>local&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x21D2;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>global&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>local&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x21D2;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>global&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the vector of field variable in the global domain. Then <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eqs. (4)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">(5)</xref> can be expressed as
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The unknown field variable vector <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be derived from governing partial differential equations and boundary conditions by considering <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eqs. (9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">(10)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>The Direct Method and Optimization of the Local Nodes</title>
<p>The direct method is adopted to optimize the local nodes. Instead of using the nearest neighboring nodes, the direct method selects only the nearest nodes in the <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction as the local influence nodes to calculate the first order partial derivative <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> shows a condition of local points in 2D. As shown in the figure, we use three points along the <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis to express <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and another three points along the <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis to calculate <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. This method can be fully extended to 3D conditions.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>A condition of local points for the direct method</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-2.tif"/>
</fig>
<p>The local influence points of direct method is on a one-dimensional line, rather than in a circular configuration for two-dimension (or a spherical configuration for three-dimension). By introducing this method, the accuracy, efficiency, and stability of excavation problems would improve obviously: Firstly, a 2D or 3D problem is transformed into a 1D problem, as the local nodes are collocated along a straight line. This reduces the complexity of the calculation and improves the accuracy of the partial derivatives. Secondly, the direct method employs much fewer local points, leading to improved calculation efficiency. The direct method uses different nodes to address the partial derivatives in each coordinate direction, allowing for different point spacings to be considered in different directions. This feature is crucial for large length-width ratio shape problems, such as the support structure of excavation. <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> shows two different kinds of collocation node arrangements for a <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula> bar in 2D. For the traditional LRBFCM, nodes should be uniformly distributed, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3a</xref>, to yield acceptable results. However, this arrangement results in too little node spacing in the <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis direction limited by the size in the <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis direction. The sparser nodes in <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis, contrasting with <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3b</xref>, can be employed for the direct method and yield almost the same result. The much fewer collocation nodes in the direct method lead to a significant improvement in computational efficiency. Lastly, the influence of the shape parameters is greatly reduced by using the direct method to optimize the traditional LRBFCM. Thus, the simulation results will have greater stability. As we know, the optimal shape parameter of RBFs collocation method is primarily determined by the Euclidean distances between the local nodes [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>]. For the direct method, the positional relationship of the three local points is stationary. The shape parameter <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> would have a sufficiently wide acceptable value range, which would be further proposed in the examples in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>. In fact, we would use the value <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the cases where <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Euclidean distance between the nearest local nodes to adapt the shape parameter for different <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> and further ensure the rationality of the shape parameter.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Collocation points for different methods</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-3.tif"/>
</fig>
<p>However, the direct method still requires the nodes to be neatly arranged in the direction of partial derivative <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This means that the direct method can only be applied to a rectangular domain in 2D (or a cuboid domain in 3D) directly. For the irregular-shaped domains, an additional technique needs to be employed.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Coordinate Transform and Mapping Technique in 3D</title>
<p>To solve the irregular shape domain problems, we use the mapping technique to transform physical coordinates <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> of a block of quadratic-type into normalized coordinates <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For the 3D problem, a normalised block with 20 seeds <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>. The shape functions are given by<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>17</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>14</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>16.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Normalised block and its mapping seeds</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-4.tif"/>
</fig>
<p>The partial differentials of shape functions are:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>17</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>14</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>16.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then the physical coordinate can be written as
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the physical coordinates corresponding to the mapping seeds <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Then the partial derivatives of field quantity are:
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>J</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>J</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>J</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="ueqn-31"><mml:math id="mml-ueqn-31" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and the coefficients
<disp-formula id="ueqn-32"><mml:math id="mml-ueqn-32" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>By utilizing the mapping technique, the partial derivatives in the physical coordinate system of a quadratic-type block can be expressed in terms of partial differentials in the normalized coordinate system. In this normalized domain, the direct method, as described in <xref ref-type="sec" rid="s2_2">Section 2.2</xref>, can be applied. For irregular shapes, such as circular excavation, the calculational domain should be subdivided into several quadratic-type blocks, and the interpolation is implemented in each block individually. Further details on the mapping technique can be found in references [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Governing Equations</title>
<p>In the excavation, the support structure is modeled as an elastic material, while the soil is simplified as an elastic-plastic body. This section provides a brief overview of elastic and elastic-plastic theories.</p>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>Elastic Theory</title>
<p>The equilibrium equations can be written as
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the normal stress components, and <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the shear stress components in the directions marked by the respective sub-indices, <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the body force. For linear elasticity, the stress-strain relationship can be described as
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Poisson&#x2019;s ratio, <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the Young&#x2019;s modulus, <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the normal strain, and <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are shear strain components. The relations between strains and displacements are determined as follows:
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the displacement components. Aside from the partial differential governing equations, the displacement boundary can be described as
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> represent the known displacement components. Then the stress boundary conditions can be written as
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> represent the known force components. <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> represent the cosine values of the angle between <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the axis <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the boundary&#x2019;s normal vector. For the elastic theory, the displacement components <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be gained by solving the system of governing and boundary equations.</p>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Elastic-Plastic Theory</title>
<p>For the classical elastic-plastic theory, the constitutive equations of an elastic-plastic body should be described in the incremental form [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>]. Let <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represent the stress components and strain components in the respective directions marked by the sub-indices. Based on elastic-plastic theory, the strain increment can be divided into the elastic strain increment <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> and the plastic strain increment <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>:
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then the stress-strain relation can be expressed as
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>or
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is elastic stiffness matrix and <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is elastic-plastic stiffness matrix.</p>
<p>The plasticity of soil is described by the Drucker-Prager (D-P) model [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. Its yield condition is defined as
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:msqrt><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> stands for the second deviatoric stress invariant, and <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> stands for the first stress invariant. <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> denote the material parameters. In the initial yield condition, the parameters can be obtained by the friction angle <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and soil&#x2019;s cohesion <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>]
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the equivalent plastic strain. The flow law can be expressed as
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a positive scalar called plastic multiplier, <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> denotes the normal to the plastic potential. Let
<disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mtable columnalign="right center left" rowspacing="3pt" columnspacing="0 thickmathspace" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the plastic modulus, which can be derived from the stress&#x2013;plastic-strain curve. From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-35">Eqs. (35)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-36">(36)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">(39)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">(40)</xref>, <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> can be written as
<disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="1.2em" minsize="1.2em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Due to the nonlinearity of elastic-plastic material, the stiffness matrix changes as the increase of equivalent plastic strain <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. The incremental theory is recommended to capture the evolution of stress along the loading path. Let <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi></mml:math></inline-formula> denote the total load applied during the loading process, and the stress path is artificially divided into <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> incremental steps. In each step, a load increment <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> is applied, and the stiffness matrix is updated based on the state at each collocation points. Consequently, the increments of displacement, strain, and stress are computed. Finally, all the increments are aggregated to field the total results.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Numerical Results and Discussion</title>
<p>In this section, we will present some numerical examples to show the effectiveness of the proposed numerical method. In these examples, the parameters are denoted in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>. In order to distinguish the LRBFCM optimized by the direct method from the traditional LRBFCM, we refer to the optimized version as D-LRBFCM. Considering that displacement is the key indicator to judge the safety of excavation, we mainly analyze the displacement fields of excavation. As we know, strain and stress can be obtained by the displacement fields. Since no analytical solution is available in these examples, we compare our numerical outcomes of the LRBFCM with FEM and the relative error (<inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>) of maximum displacement is introduced to measure the errors:</p>
<p><disp-formula id="ueqn-47"><mml:math id="mml-ueqn-47" display="block"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote maximum displacements of the LRBFCM and FEM, respectively.</p>

<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>The parameters used in the numerical examples</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col width="90mm"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Parameter</th>
<th>Definition</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td>Number of local influence nodes</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>Shape parameter of MQ-RBF</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Shape parameters in <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> axis directions</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Numbers of collocation point arrays</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Distances between the nodes in <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> axis directions</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Displacements in <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> directions</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Surface force components</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>Number of the incremental-steps</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Values of maximum displacements in <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> directions</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>Radius of soil excavation</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>Algorithm computation time</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The mechanical parameters in these examples were determined with reference to literature [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>] and in consideration of the local geotechnical conditions. In these numerical examples, the parameters of the support structure are Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, Young&#x2019;s modulus <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and density <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The soil is assumed as homogeneous material for simplicity and the parameters are considered as Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.35</mml:mn></mml:math></inline-formula>, elastic modulus <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, friction angle <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>17</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, cohesion <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and unit weight <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The uniaxial compression test results of soil are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Uniaxial compression test results of soil</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-5.tif"/>
</fig>
<p>The numerical computations in this section were carried out using MATLAB&#x00A9; on a system equipped with an AMD EPYC Milan 7713 CPU (2.0 GHz), 64 GB of memory, and 16 cores, running CentOS Linux release 7.</p>
<sec id="s5_1">
<label>5.1</label>
<title>Example 1</title>
<p>An elastic case is used to show the improvement of the D-LRBFCM. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>, there is a <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> pile, whose mechanical parameters are proposed as the support structure. The pile is fixed on <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> side, bearing the gravity <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the load <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> side. The boundary conditions can be presented as follows:</p>
<p><disp-formula id="ueqn-48"><mml:math id="mml-ueqn-48" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>

<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>The mechanical state of Example 1</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-6.tif"/>
</fig>
<p>Firstly, we assume that <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the displacement results of FEM are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref>, where <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.117e-4 m, <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.992e-6 m, and <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 3.164e-5 m. <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>61</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> is used in the D-LRBFCM and <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn></mml:math></inline-formula> is used in the traditional LRBFCM, the numerical errors of the two methods under varying shape parameters are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref>. The results from the traditional LRBFCM are acceptable only when <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and they are sensitive to the shape parameter. In contrast, the numerical errors in the D-LRBFCM remain stable as the shape parameter varies from <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> to <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mn>700</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Obviously, the stability of the D-LRBFCM is much better than that of the traditional LRBFCM. Combining with the analysis in the literature [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>], we can infer a suitable range of shape parameters for the D-LRBFCM in 3D problems: <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>14</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>000</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Since the accuracy of the D-LRBFCM is insensitive to the shape parameter, the parameter of D-LRBFCM <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula> is fixed for convenience through the rest of this section without further explanation.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Displacement results of Example 1</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-7.tif"/>
</fig><fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Numerical errors for different shape parameters <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula><break/></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-8.tif"/>
</fig>
<p>Next, we consider the case where <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> is used in the D-LRBFCM, while <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn></mml:math></inline-formula> are cosidered for the LRBFCM. <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref> shows the accuracy under different node distributions, where CPU time represents the time used by the D-LRBFCM. We notice that the traditional LRBFCM only get relatively accurate results when the collocation points are evenly distributed in all the coordinate axis directions, which corresponds to the case where <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>61</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Once the distribution of nodes becomes non-uniform, the calculation accuracy will decrease. By contrast, the change in node distributions has little effect on the calculation accuracy in D-LRBFCM, as the partial derivatives are calculated independently in different directions. Hence, by using the D-LRBFCM, we can employ a flexible and adaptable node array based on the deformation field of structure and the shape of the computational domain. In solving large length-width ratio problems, we can select fewer collocation nodes along the longer side, which leads to an improvement in computational efficiency. This can be reflected in the CPU time in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>.</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>The accuracy under different node distributions</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-9a.tif"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-9b.tif"/>
</fig>
<p>In order to assess the convergence of D-LRBFCM, the number of collocation nodes (<inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) is changed as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>. For the analysis, <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> is considered. As the points number increases, the results yielded by D-LRBFCM converge to FEM results.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>Displacement results for different node numbers</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-10.tif"/>
</fig>
<p>We further consider piles with different lengths, and the numerical results are shown in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>. The acceptable results for these four different sizes can be obtained by using the D-LRBFCM. We can infer that the D-LRBFCM could get acceptable outcomes if the parameters are chosen according to the above principles.</p>
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>The displacement results for different piles</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col width="9mm"/>
<col width="9mm"/>
<col width="9mm"/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th><inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.117e-04</td>
<td>1.888e-06</td>
<td>3.209e-05</td>
<td>0.00<inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>5.22<inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.42<inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>15</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>61</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.652e-03</td>
<td>8.019e-06</td>
<td>2.171e-04</td>
<td>0.24<inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>2.09<inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.28<inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>42</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>91</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>8.248e-03</td>
<td>1.851e-05</td>
<td>6.897e-04</td>
<td>0.25<inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.28<inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.00<inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>90</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>121</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>2.595e-02</td>
<td>3.336e-05</td>
<td>1.585e-03</td>
<td>0.27<inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.10<inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.06<inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>127</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s5_2">
<label>5.2</label>
<title>Example 2</title>
<p>An elastic-plastic problem is discussed to demonstrate the effectiveness of the mapping technique and incremental method. A 8 m <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4 m <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4 m soil slope is positioned on a rigid rock formation, and the soil deforms under gravity. The simplified mechanical state is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref>. The boundary conditions can be presented as follows:<disp-formula id="ueqn-49"><mml:math id="mml-ueqn-49" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>The mechanical state of Example 2</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-11.tif"/>
</fig>
<p>This example is essentially a plane strain problem, and <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is identically zero throughout the entire computational domain, so we only analyze numerical errors in <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The displacement results of FEM are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref> with <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.128e-02 m and <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.654e-02 m. The deformation primarily occurs at the inner side of the soil slope (side of <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:math></inline-formula>); it is not economical or efficient to distribute the collocation nodes uniformly in the whole domain. By adjusting the locations of mapping seeds (the black <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mo>&#x2219;</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref>), most of the nodes can be concentrated on the inner side to better capture the displacement field variations, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>.</p>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Displacement results of Example 2</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-12.tif"/>
</fig><fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Node distribution in physical coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-13.tif"/>
</fig>
<p>In the proposed method, we consider <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The results under different point arrays are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref>. We observe that we can obtain stable results for these different node arrays. As the number of points increases, the computation time increases continuously while the accuracy gradually improves and eventually stabilizes. The mapping technique can be effectively combined with D-LRBFCM for computation.</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>The accuracy of the D-LRBFCM under varying point arrays</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-14.tif"/>
</fig>
<p>Next, we use different incremental steps to calculate the elastic-plastic problem. The displacement solutions of the D-LRBFCM are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref>. As the number of steps <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, the solutions of D-LRBFCM would converge and progressively align the FEM results. In this example, the results become relatively stable as the total steps exceed 15.</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Displacement outcomes for various step numbers</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-15.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_3">
<label>5.3</label>
<title>Example 3</title>
<p>A rock-socketed excavation is analyzed in this example. The displacement of the rock formation under the soil layer is not considered, and the support structure is fixed in the rock. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Fig. 16</xref>, there are 30 m <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15 m <inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15 m soil layers located adjacent to the support structure on either side. The support structure is 1 m wide. The initial boundary conditions are defined as follows:<disp-formula id="ueqn-50"><mml:math id="mml-ueqn-50" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>The prescribed mechanical state of Example 3</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-16.tif"/>
</fig>
<p>The excavation stress path can be categorized into three distinct stages, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17</xref>. The first stage is referred to as the geostatic equilibrium stage, which represents the soil deposition history. During this stage, the initial stresses of the structure reach equilibrate with the gravitational load of soil. However, the calculated deformations remain zero, since we are only concerned about the deformations after construction. The second stage is known as the support structure construction stage. The support wall is constructed and engages with the surrounding soil during this stage. The friction between the support structure and the soil is neglected, and the normal displacements of the contact surfaces are equal. The third stage, which is the one we are most concerned about, can be called the deformation stage. The passive soil located on the inner side of the excavation (<inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> m) is removed, after which the active soil and the wall (<inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> m) start to deform together.</p>
<fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>The stress path of excavation in Example 3</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-17.tif"/>
</fig>
<p>The final displacement solutions, as fielded through the FEM, are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-18">Fig. 18</xref> with <inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 9.960e-02 m and <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 5.100e-02 m. For the proposed method, the mapping technique is used to optimize the node distribution. <xref ref-type="fig" rid="fig-19">Fig. 19</xref> shows the collocation node distribution in the physical coordinate system. <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula> is introduced. We employ three distinct node arrays to address the problem, and the results are summarized in <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>. The results remain consistent across different node arrays, with the maximum value of relative error being 1.58<inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The D-LRBFCM could get convincing solutions when we follow the principles outlined in the previous examples. In the FEM, we used the mesh with nodes arranged in the same distribution as the collocation points in D-LRBFCM and performed calculations with an equal number of incremental steps. The CPU times using the FEM software ABAQUS&#x00A9; are shown in <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>. The results show that the D-LRBFCM is superior to FEM in terms of computational efficiency.</p>
<fig id="fig-18">
<label>Figure 18</label>
<caption>
<title>Displacement results of Example 3</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-18.tif"/>
</fig><fig id="fig-19">
<label>Figure 19</label>
<caption>
<title>Node distribution for mapping technique</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-19.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>The results of D-LRBFCM under various point arrays</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th colspan="2"><inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><italic>CPU</italic>(s)</th>
<th>FEM <italic>CPU</italic>(s)</th>
</tr>
<tr>
<th>Soil</th>
<th>Wall</th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>9.815e-02</td>
<td>5.094e-02</td>
<td>1.43<inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.12<inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>310</td>
<td>966</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>9.825e-02</td>
<td>5.102e-02</td>
<td>1.36<inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.03<inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>427</td>
<td>1149</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-211"><mml:math id="mml-ieqn-211"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>9.803e-02</td>
<td>5.091e-02</td>
<td>1.58<inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>0.18<inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1129</td>
<td>1886</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The work of applying the traditional LRBFCM in conjunction with the incremental method to solve similar excavation issues is also carried out. However, the results showed significant discretization. The reasons for this discretization are multifaceted: First, the large length-width ratio of the excavation support structure severely restricts the node distribution in the traditional LRBFCM, resulting in an unreasonable distribution of collocation points. Secondly, the presence of numerous first-order partial derivatives in the stress boundary conditions and governing equations makes it difficult to ensure accuracy. Furthermore, as verified in Example 1, the calculation accuracy of the traditional LRBFCM is quite sensitive to the shape parameter, which is difficult to determine. Therefore, Optimizing LRBFCM through the direct method is an essential step for simulating excavation deformation.</p>
</sec>
<sec id="s5_4">
<label>5.4</label>
<title>Example 4</title>
<p>In this example, we analyze a 3D rock-socketed circular excavation with a radius of 49 m. Considering the symmetry, we examine a quarter of the circle. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-20">Fig. 20</xref>, the excavation is 30 m deep, and the support wall is 1 m wide. The initial boundary conditions are:<disp-formula id="ueqn-51"><mml:math id="mml-ueqn-51" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>110</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>110</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-20">
<label>Figure 20</label>
<caption>
<title>The prescribed mechanical state of Example 4</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-20.tif"/>
</fig>
<p>The friction between the soil and the support wall is ignored. Similarly to the previous example, the stress path consists of three stages (see <xref ref-type="fig" rid="fig-21">Fig. 21</xref>). In the deformation stage, the passive soil within a radius of less than 49 m is excavated.</p>
<fig id="fig-21">
<label>Figure 21</label>
<caption>
<title>The stress path of excavation in Example 4</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-21.tif"/>
</fig>
<p>Considering the shape of the excavation, it needs to be divided into five blocks artificially, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-22">Fig. 22</xref>, for the mapping technique. The numbers in <xref ref-type="fig" rid="fig-22">Fig. 22a</xref> represent the indices of the Blocks. In each block, an individual normalized coordinate system is constructed, and the collocation nodes are transformed to normalized nodes using the mapping seeds (the black <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mo>&#x2219;</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="fig-22">Fig. 22</xref>). The D-LRBFCM is applied in each block, respectively.</p>
<fig id="fig-22">
<label>Figure 22</label>
<caption>
<title>Dividing the excavation and collocating the mapping seeds</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-22.tif"/>
</fig>
<p>The final displacement solutions of FEM are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-23">Fig. 23</xref> with <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 3.222e-02 m, <inline-formula id="ieqn-216"><mml:math id="mml-ieqn-216"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 3.222e-02 m, and <inline-formula id="ieqn-217"><mml:math id="mml-ieqn-217"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 7.600e-03 m. The displacement fields of the 3D circular excavation differ from those of the strip excavation in Example 3. Firstly, the circular excavation can bear heavier soil weight and produce smaller deformation because of the circumferential hoop forces. At the same time, the plastic deformation of soil is significantly reduced. Secondly, the position of maximum lateral deformation of the support wall is changed. In Example 3, the top of the supporting wall has the largest deformation, whereas in the circular excavation, the maximum lateral displacement is located at the lower part of the wall. Lastly, the support wall in the circular excavation experiences a few positive displacements in the <inline-formula id="ieqn-218"><mml:math id="mml-ieqn-218"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis direction caused by the shell deflection (see <xref ref-type="fig" rid="fig-23">Fig. 23c</xref>).</p>
<fig id="fig-23">
<label>Figure 23</label>
<caption>
<title>Displacement results of Example 4</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-23.tif"/>
</fig>
<p>For the proposed method, we consider <inline-formula id="ieqn-219"><mml:math id="mml-ieqn-219"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula> and three different collocation node arrays, as shown in <xref ref-type="table" rid="table-4">Table 4</xref>. The deformation results are presented in <xref ref-type="table" rid="table-5">Table 5</xref>. The relative error values remain stable across the different node arrays, with the maximum error being 5.97<inline-formula id="ieqn-220"><mml:math id="mml-ieqn-220"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. A denser node array yields slightly better outcomes but also leads to lower computational efficiency.</p>
<table-wrap id="table-4">
<label>Table 4</label>
<caption>
<title><inline-formula id="ieqn-221"><mml:math id="mml-ieqn-221"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> for each block in circular excavation</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Serial number</th>
<th>Block 1</th>
<th>Block 2</th>
<th>Block 3</th>
<th>Block 4</th>
<th>Block 5</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>I</td>
<td><inline-formula id="ieqn-222"><mml:math id="mml-ieqn-222"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-223"><mml:math id="mml-ieqn-223"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-224"><mml:math id="mml-ieqn-224"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-225"><mml:math id="mml-ieqn-225"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-226"><mml:math id="mml-ieqn-226"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>II</td>
<td><inline-formula id="ieqn-227"><mml:math id="mml-ieqn-227"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-228"><mml:math id="mml-ieqn-228"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-229"><mml:math id="mml-ieqn-229"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-230"><mml:math id="mml-ieqn-230"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-231"><mml:math id="mml-ieqn-231"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>III</td>
<td><inline-formula id="ieqn-232"><mml:math id="mml-ieqn-232"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-233"><mml:math id="mml-ieqn-233"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-234"><mml:math id="mml-ieqn-234"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-235"><mml:math id="mml-ieqn-235"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-236"><mml:math id="mml-ieqn-236"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><table-wrap id="table-5">
<label>Table 5</label>
<caption>
<title>The calculation results under different node arrays in Example 4</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Serial number</th>
<th><inline-formula id="ieqn-237"><mml:math id="mml-ieqn-237"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-238"><mml:math id="mml-ieqn-238"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-239"><mml:math id="mml-ieqn-239"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-240"><mml:math id="mml-ieqn-240"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-241"><mml:math id="mml-ieqn-241"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-242"><mml:math id="mml-ieqn-242"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><italic>CPU</italic>(s)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>I</td>
<td>3.272E-02</td>
<td>3.270E-02</td>
<td>8.054E-03</td>
<td>1.55<inline-formula id="ieqn-243"><mml:math id="mml-ieqn-243"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.49<inline-formula id="ieqn-244"><mml:math id="mml-ieqn-244"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>5.97<inline-formula id="ieqn-245"><mml:math id="mml-ieqn-245"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>607</td>
</tr>
<tr>
<td>II</td>
<td>3.258E-02</td>
<td>3.258E-02</td>
<td>7.906E-03</td>
<td>1.12<inline-formula id="ieqn-246"><mml:math id="mml-ieqn-246"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.12<inline-formula id="ieqn-247"><mml:math id="mml-ieqn-247"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>4.03<inline-formula id="ieqn-248"><mml:math id="mml-ieqn-248"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>2161</td>
</tr>
<tr>
<td>III</td>
<td>3.258E-02</td>
<td>3.258E-02</td>
<td>7.892E-03</td>
<td>1.12<inline-formula id="ieqn-249"><mml:math id="mml-ieqn-249"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.12<inline-formula id="ieqn-250"><mml:math id="mml-ieqn-250"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>3.84<inline-formula id="ieqn-251"><mml:math id="mml-ieqn-251"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>4259</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s5_5">
<label>5.5</label>
<title>Example 5</title>
<p>In the last example, a general circular excavation with a radius of 49 m is discussed. This model features an excavation within a 40 m deep soil region (see <xref ref-type="fig" rid="fig-24">Fig. 24</xref>). The support wall has a thickness of 1 m, and the initial boundary conditions are as follows:<disp-formula id="ueqn-52"><mml:math id="mml-ueqn-52" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>110</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>110</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>Pa</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-24">
<label>Figure 24</label>
<caption>
<title>The prescribed initial boundary conditions for Example 5</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-24.tif"/>
</fig>
<p>We ignore the friction between the soil and the support wall. The stress path is also divided into three stages as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-25">Fig. 25</xref>. During the deformation stage, the passive soil within <inline-formula id="ieqn-252"><mml:math id="mml-ieqn-252"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>49</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x2212;20 m <inline-formula id="ieqn-253"><mml:math id="mml-ieqn-253"><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0 m is excavated. It means that there are three parts of the structure&#x2014;the passive soil, the active soil and the support wall&#x2014;working together, making the stress path more complex. This example is expected to be more difficult than the previous ones. <xref ref-type="fig" rid="fig-26">Fig. 26</xref> shows the final displacement solutions of FEM (<inline-formula id="ieqn-254"><mml:math id="mml-ieqn-254"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 3.544e-02 m, <inline-formula id="ieqn-255"><mml:math id="mml-ieqn-255"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 3.544e-02 m and <inline-formula id="ieqn-256"><mml:math id="mml-ieqn-256"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> &#x003D; 8.840e-03 m). It is important to note that there is a considerable upward movement in the passive soil, as the upper soil is excavated and its self-gravity is released. However, this deformation is generally not of concern in geotechnical engineering, and it is ignored in <inline-formula id="ieqn-257"><mml:math id="mml-ieqn-257"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-26">Fig. 26c</xref>.</p>
<fig id="fig-25">
<label>Figure 25</label>
<caption>
<title>The stress path of excavation in Example 5</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-25.tif"/>
</fig><fig id="fig-26">
<label>Figure 26</label>
<caption>
<title>Displacement results of Example 5</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-26.tif"/>
</fig>
<p>Similarly to Example 4, the excavation shape is divided into five blocks artificially for the mapping technique, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-27">Fig. 27</xref>, where the indices of blocks are presented. We build an individual normalized coordinate system for each block. <xref ref-type="table" rid="table-6">Tables 6</xref> and <xref ref-type="table" rid="table-7">7</xref> show the results of three different node arrays. Compared with the other examples, this problem is more complex, and the accuracy is slightly inferior but still acceptable. The results also show that a denser node array yields slightly better accuracy.</p>
<fig id="fig-27">
<label>Figure 27</label>
<caption>
<title>Dividing the excavation and the indices of blocks of Example 5</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_59750-fig-27.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-6">
<label>Table 6</label>
<caption>
<title><inline-formula id="ieqn-258"><mml:math id="mml-ieqn-258"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> for each block in general circular excavation</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Serial number</th>
<th>Block 1</th>
<th>Block 2</th>
<th>Block 3</th>
<th>Block 4</th>
<th>Block 5</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>I</td>
<td><inline-formula id="ieqn-259"><mml:math id="mml-ieqn-259"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-260"><mml:math id="mml-ieqn-260"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-261"><mml:math id="mml-ieqn-261"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-262"><mml:math id="mml-ieqn-262"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-263"><mml:math id="mml-ieqn-263"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>II</td>
<td><inline-formula id="ieqn-264"><mml:math id="mml-ieqn-264"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-265"><mml:math id="mml-ieqn-265"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-266"><mml:math id="mml-ieqn-266"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-267"><mml:math id="mml-ieqn-267"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-268"><mml:math id="mml-ieqn-268"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>26</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>III</td>
<td><inline-formula id="ieqn-269"><mml:math id="mml-ieqn-269"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-270"><mml:math id="mml-ieqn-270"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-271"><mml:math id="mml-ieqn-271"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-272"><mml:math id="mml-ieqn-272"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-273"><mml:math id="mml-ieqn-273"><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>31</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><table-wrap id="table-7">
<label>Table 7</label>
<caption>
<title>The calculation results of the D-LRBFCM under different node arrays in Example 5</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Serial number</th>
<th><inline-formula id="ieqn-274"><mml:math id="mml-ieqn-274"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-275"><mml:math id="mml-ieqn-275"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-276"><mml:math id="mml-ieqn-276"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (m)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-277"><mml:math id="mml-ieqn-277"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-278"><mml:math id="mml-ieqn-278"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-279"><mml:math id="mml-ieqn-279"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
<th><italic>CPU</italic>(s)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>I</td>
<td>3.678e-02</td>
<td>3.676e-02</td>
<td>9.401e-03</td>
<td>3.78<inline-formula id="ieqn-280"><mml:math id="mml-ieqn-280"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>3.72<inline-formula id="ieqn-281"><mml:math id="mml-ieqn-281"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>6.35<inline-formula id="ieqn-282"><mml:math id="mml-ieqn-282"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1100</td>
</tr>
<tr>
<td>II</td>
<td>3.652e-02</td>
<td>3.650e-02</td>
<td>9.234e-03</td>
<td>3.05<inline-formula id="ieqn-283"><mml:math id="mml-ieqn-283"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>2.99<inline-formula id="ieqn-284"><mml:math id="mml-ieqn-284"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>4.46<inline-formula id="ieqn-285"><mml:math id="mml-ieqn-285"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>4307</td>
</tr>
<tr>
<td>III</td>
<td>3.644e-02</td>
<td>3.644e-02</td>
<td>8.936e-03</td>
<td>2.82<inline-formula id="ieqn-286"><mml:math id="mml-ieqn-286"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>2.82<inline-formula id="ieqn-287"><mml:math id="mml-ieqn-287"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>1.09<inline-formula id="ieqn-288"><mml:math id="mml-ieqn-288"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>8624</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Conclusions</title>
<p>This paper extends the LRBFCM to the deformation analysis of deep excavation in 3D. The direct method, where the influence nodes are collocated on a straight line, is introduced to optimize the local nodes. The mapping technique is used to describe the irregular shape of excavation in 3D. The plasticity of soil in excavation is described by the D-P model, and the LRBFCM, using the incremental method, is applied to analyze the plasticity. The efficiency of modified LRBFCM is demonstrated through five examples. By using the proposed optimization methods, LRBFCM can effectively solve deep excavation problems. The following conclusions can be made:
<list list-type="order">
<list-item>
<p>The application of the direct method is crucial for simulating excavation deformation. By using the direct method, the accuracy of computing first-order partial derivatives is significantly improved. Additionally, the collocation node distribution can be adjusted flexibly, greatly enhancing the computational efficiency when solving significant length-width ratio problems. Moreover, the direct method is insensitive to the shape parameter, making the calculation more stable.</p></list-item>
<list-item>
<p>The shape of circular excavation can be described with several quadratic-type blocks, and the deformation results remain stable since the physical coordinates are transformed into a normalized coordinate system.</p></list-item>
<list-item>
<p>A suitable range of <inline-formula id="ieqn-289"><mml:math id="mml-ieqn-289"><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>14,000</mml:mn></mml:math></inline-formula> is recommended for the D-LRBFCM when solving 3D deep excavation problems.</p></list-item>
<list-item>
<p>Compared to the strip excavation, the plastic deformation of soil in a circular excavation is significantly reduced, and the position of maximum lateral deformation shifts from the top to the lower part of the wall.</p></list-item>
</list></p>
<p>Our current study exclusively addresses the problem of single-layer soil, and our future work will focus on multi-layer soils and inhomogeneous materials. Additionally, large deformation problems in geotechnical engineering may also be considered in future studies.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack><title>Acknowledgment</title>
<p>The authors would like to acknowledge China Scholarship Council (CSC) for its support on this study.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>The work was supported by grants from the National Natural Science Foundation of China (Nos. 12172159 and 12362019).</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>The authors confirm contribution to the paper as follows: study conception and design: Cheng Deng, Liangyong Gong; data collection: Rongping Zhang, Mengqi Wang; analysis and interpretation of results: Cheng Deng, Hui Zheng, Liangyong Gong, Rongping Zhang; draft manuscript preparation: Cheng Deng, Hui Zheng, Mengqi Wang. All authors reviewed the results and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability">
<title>Availability of Data and Materials</title>
<p>The data presented in this study are available on request from the corresponding author.</p>
</sec>
<sec>
<title>Ethics Approval</title>
<p>Not applicable.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement">
<title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ke</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yi</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Distributions of lateral earth pressure behind rock-socketed circular diaphragm walls considering radial deflection</article-title>. <source>Comput Geotech</source>. <year>2022</year>;<volume>143</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>104604</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2021.104604</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yuan</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Leng</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zeng</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Numerical study on the thermal-induced mechanical behavior in deep energy diaphragm wall (EDW): the long-term soil elastoplastic effects</article-title>. <source>Tunn Undergr Sp Tech</source>. <year>2023</year>;<volume>132</volume>:<fpage>104860</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2022.104860</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lai</surname> <given-names>VQ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kounlavong</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Keawsawasvong</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Banyong</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wipulanusat</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jamsawang</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Undrained basal stability of braced circular excavations in anisotropic and non-homogeneous clays</article-title>. <source>Transp Geotech</source>. <year>2023</year>;<volume>39</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>100945</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.trgeo.2023.100945</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kumar</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rahaman</surname> <given-names>O</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Lower bound limit analysis of unsupported vertical circular excavations in rocks using Hoek-Brown failure criterion</article-title>. <source>Int J Numer Anal Met</source>. <year>2020</year>;<volume>44</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>1093</fpage>&#x2013;<lpage>106</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nag.3051</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Drucker</surname> <given-names>DC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Prager</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Soil mechanics and plastic analysis or limit design</article-title>. <source>Q Appl Math</source>. <year>1952</year>;<volume>10</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>157</fpage>&#x2013;<lpage>65</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1090/qam/48291</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>XH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jia</surname> <given-names>YJ</given-names></string-name></person-group>. <article-title>3D mechanical modeling of soil orthogonal cutting under a single reamer cutter based on Drucker-Prager criterion</article-title>. <source>Tunn Undergr Sp Tech</source>. <year>2014</year>;<volume>41</volume>:<fpage>255</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2013.12.008</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>He</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cui</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An axisymmetric BNEF method of circular excavations taking into account soil-structure interactions</article-title>. <source>Comput Geotech</source>. <year>2017</year>;<volume>90</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>155</fpage>&#x2013;<lpage>63</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2017.06.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Keawsawasvong</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ukritchon</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Undrained basal stability of braced circular excavations in non-homogeneous clays with linear increase of strength with depth</article-title>. <source>Comput Geotech</source>. <year>2019</year>;<volume>115</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>103180</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2019.103180</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Arai</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kusakabe</surname> <given-names>O</given-names></string-name>, <string-name><surname>Murata</surname> <given-names>O</given-names></string-name>, <string-name><surname>Konishi</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A numerical study on ground displacement and stress during and after the installation of deep circular diaphragm walls and soil excavation</article-title>. <source>Comput Geotech</source>. <year>2008</year>;<volume>35</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>791</fpage>&#x2013;<lpage>807</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2007.11.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>10.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bienen</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nazem</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pucker</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Large deformation finite element analyses in geotechnical engineering</article-title>. <source>Comput Geotech</source>. <year>2015</year>;<volume>65</volume>(<issue>13</issue>):<fpage>104</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2014.12.005</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>11.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zheng</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tyrer</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A local radial basis function collocation method for band structure computation of phononic crystals with scatterers of arbitrary geometry</article-title>. <source>Appl Math Model</source>. <year>2018</year>;<volume>60</volume>(<issue>13</issue>):<fpage>447</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2018.03.023</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>12.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Cheng</surname> <given-names>AHD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hong</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An overview of the method of fundamental solutions&#x2014;Solvability, uniqueness, convergence, and stability</article-title>. <source>Eng Anal Bound Elem</source>. <year>2020</year>;<volume>120</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>118</fpage>&#x2013;<lpage>52</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2020.08.013</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>13.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tanaka</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A meshless, integration-free, and boundary-only RBF technique</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2002</year>;<volume>43</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>379</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0898-1221(01)00293-0</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qu</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Localized boundary knot method and its application to large-scale acoustic problems</article-title>. <source>Comput Method Appl M</source>. <year>2020</year>;<volume>361</volume>:<fpage>112729</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2019.112729</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fan</surname> <given-names>CM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Electroelastic analysis of two-dimensional piezoelectric structures by the localized method of fundamental solutions</article-title>. <source>Adv Appl Math Mech</source>. <year>2023</year>;<volume>15</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>880</fpage>&#x2013;<lpage>900</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.4208/aamm.OA-2021-0223</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>16.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sarler</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vertnik</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Meshfree explicit local radial basis function collocation method for diffusion problems</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2006</year>;<volume>51</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>1269</fpage>&#x2013;<lpage>82</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.camwa.2006.04.013</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>17.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Vertnik</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sarler</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Meshless local radial basis function collocation method for convective-diffusive solid-liquid phase change problems</article-title>. <source>Int J Numer Method Heat Fluid Flow</source>. <year>2006</year>;<volume>16</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>617</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1108/09615530610669148</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>18.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jiang</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiong</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A stabilized local RBF collocation method for incompressible Navier-Stokes equations</article-title>. <source>Comput Fluids</source>. <year>2023</year>;<volume>265</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>105988</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compfluid.2023.105988</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tu</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gu</surname> <given-names>YT</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Effective shear modulus approach for two dimensional solids and plate bending problems by meshless node collocation method</article-title>. <source>Eng Anal Bound Elem</source>. <year>2012</year>;<volume>36</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>675</fpage>&#x2013;<lpage>84</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2011.11.016</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Meshless symplectic and multi-symplectic local RBF collocation methods for nonlinear Schrodinger equation</article-title>. <source>J Comput Phys</source>. <year>2022</year>;<volume>450</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>110820</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2021.110820</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>21.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xue</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ren</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wahab</surname> <given-names>MA</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Weighted radial basis collocation method for large deformation analysis of rubber-like materials</article-title>. <source>Eng Anal Boundary Elem</source>. <year>2023</year>;<volume>159</volume>:<fpage>95</fpage>&#x2013;<lpage>110</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2023.11.016</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>22.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Noorizadegan</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Young</surname> <given-names>DL</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>CS</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On the selection of a better radial basis function and its shape parameter in interpolation problems</article-title>. <source>Appl Math Comput</source>. <year>2023</year>;<volume>442</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>127713</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.amc.2022.127713</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>23.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rippa</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An algorithm for selecting a good value for the parameter c in radial basis function interpolation</article-title>. <source>Adv Comput Math</source>. <year>1999</year>;<volume>11</volume>(<issue>2&#x2013;3</issue>):<fpage>193</fpage>&#x2013;<lpage>210</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1023/A:1018975909870</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>24.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Franke</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Scattered data interpolation: tests of some methods</article-title>. <source>Math Comput</source>. <year>1982</year>;<volume>38</volume>(<issue>157</issue>):<fpage>181</fpage>&#x2013;<lpage>200</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.2307/2007474</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>25.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shi</surname> <given-names>CS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hon</surname> <given-names>YC</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The local radial basis function collocation method for elastic wave propagation analysis in 2D composite plate</article-title>. <source>Eng Anal Bound Elem</source>. <year>2023</year>;<volume>150</volume>(<issue>1&#x2013;2</issue>):<fpage>571</fpage>&#x2013;<lpage>82</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2023.02.021</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pang</surname> <given-names>G</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Solving fractional Laplacian Visco-acoustic wave equations on complex-geometry domains using Grunwald-formula based radial basis collocation method</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2020</year>;<volume>79</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>2153</fpage>&#x2013;<lpage>67</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.camwa.2019.10.013</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>27.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>CS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fan</surname> <given-names>CM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The MAPS based on trigonometric basis functions for solving elliptic partial differential equations with variable coefficients and Cauchy-Navier equations</article-title>. <source>Math Comput Simulat</source>. <year>2019</year>;<volume>159</volume>(<issue>8/9</issue>):<fpage>119</fpage>&#x2013;<lpage>35</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.matcom.2018.11.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>28.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Finite block method for transient heat conduction analysis in functionally graded media</article-title>. <source>Int J Numer Meth Eng</source>. <year>2014</year>;<volume>99</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>372</fpage>&#x2013;<lpage>90</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.4693</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>29.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cao</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Korakianitis</surname> <given-names>T</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Finite block method in elasticity</article-title>. <source>Eng Anal Bound Elem</source>. <year>2014</year>;<volume>46</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>116</fpage>&#x2013;<lpage>25</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2014.05.006</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>30.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wen</surname> <given-names>JC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>YR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>CG</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Meshless variational method applied to fracture mechanics with functionally graded materials</article-title>. <source>Eng Anal Bound Elem</source>. <year>2023</year>;<volume>157</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>44</fpage>&#x2013;<lpage>58</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2023.08.043</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>31.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wen</surname> <given-names>JC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>YR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sladek</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sladek</surname> <given-names>V</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wen</surname> <given-names>PH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Galerkin finite block method in solid mechanics</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2024</year>;<volume>155</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>66</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.camwa.2023.11.028</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>32.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Owen</surname> <given-names>DRJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hinton</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <source>Finite elements in plasticity: theory and practice</source>. <publisher-loc>Swansea, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Pineridge Press Limited</publisher-name>; <year>1980</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>33.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Abbo</surname> <given-names>AJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sloan</surname> <given-names>SW</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A smooth hyperbolic approximation to the Mohr-Coulomb yield criterion</article-title>. <source>Comput Struct</source>. <year>1995</year>;<volume>54</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>427</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7949(94)00339-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>



























