裂隙单元修正等效渗透率模型及其验证

 采用裂隙单元表征裂隙网络,引入裂隙单元等效渗透率的概念,按照流量等效的原则计算其大小,然而阶梯状裂隙单元造成渗流流程的增加,同时压差不变导致流量的减少,为解决这一问题,用裂隙在网格中的实际流程长度与裂隙迹长之比来修正裂隙单元等效渗透率,并且针对复杂裂隙网络,对其进行预处理--删除孤立裂隙、死端裂隙、孤立裂隙簇等非连通裂隙。用此修正模型对单裂隙、相交裂隙、复杂裂隙网络进行渗流数值模拟,并与理论解及离散裂隙网络模型方法渗流结果进行比较,结果显示：研究区域下游出口总流量及出口处流量分布均取得较好一致性;同时,此裂隙单元修正等效渗透率模型也能反映出裂隙岩体渗流的非均质和各向异性。     

裂隙岩体等效渗透系数张量数值法研究

由于核废料地质储存、地热开采、深部油气开采的工程需求,裂隙岩体渗透性及其随着应力、温度的影响受到广泛关注。通过温度-渗流-应力耦合三轴仪对大理岩人工裂隙渗透率随应力及温度变化规律进行了试验研究,获得了大理岩闭合裂隙渗透率随应力、温度的变化趋势及受影响程度。在试验基础上,通过数值方法研究了裂隙岩体等效渗透系数的尺寸效应及各向异性,获得了该裂隙岩体的等效渗透系数REV及渗透张量。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合数值分析研究

基于离散单元法能够充分考虑到岩体结构的不连续性,适用于解决节理岩石力学问题,本文建立离散介质贺连续介质耦合的渗流模型,模拟裂隙岩体渗流与应力耦合迭代过程。该方法能较客观地反应了岩体变形的真实特性,应用该方法对一混凝土坝进行计算。能够较好的切合实际,具有一定工程实际意义。     

裂隙岩体水力离散介质网络的建立

在基于拓扑学建立的几个简单定量规定上，建立了理论严谨、可操作性强的二维裂隙岩体水力离散介质网络生成算法。该算法能适应结构面几何和水力特征的复杂性，其结果给出了水力线元、水力节点以及它们排列组合形成的块体间的相互位置关系。     

三维复杂裂隙岩体渗流传热耦合的数值研究

将复杂裂隙岩体视为由离散裂隙网络和岩石基质两部分组成,采用四面体单元离散岩石基质,无厚度三角形单元离散复杂三维离散裂隙网络,考虑温度对流体密度和动力粘度的影响,建立了描述三维裂隙网络的裂隙岩体渗流-传热耦合模型.通过与二维单裂隙渗流-传热耦合问题的解析解对比,验证了该模型的可靠性.随后,利用该模型对复杂三维随机裂隙岩体...     

裂隙岩体渗流-弹塑性应力耦合分析

引入能反映裂隙剪胀特性的非线性弹塑性本构模型 ,从而考虑了裂隙非线性法向变形和剪胀对裂隙隙宽的影响 ,更实际地反映了裂隙变形对岩体渗透性的影响。给出的算例表明所提出的方法是可信的     

裂隙岩体水力等效连续介质存在性的评价

初步建立了裂隙岩体水力等续介质是否存在的二维判别方法。一方面证明了水力等效连介质中渗透作用运动效果等的必要性;另一方面建立了半理论－半数值模拟试验方法,讨论裂隙岩体是否存在渗透作用力变形效果和流量两者同时等效意义下的连续介质。最后给出了一个算例。     

裂隙岩体注浆块体离散元方法模拟分析

涌水是海底隧道建设面临的主要难题之一,注浆可以有效降低涌水并加固围岩,保障施工安全.采用块体离散元方法模拟研究了浆液-裂隙耦合模型、裂隙剪胀等因素对裂隙岩体浆液扩散的影响规律.结果 表明:(1)考虑浆液-裂隙耦合作用对浆液最大扩散距离有显著影响,结合Barton-Bandis(BB)裂隙本构模型更能够反映裂隙变形的真实...     

采用Monte-Carlo模拟技术计算裂隙岩体的渗透系数张量

裂隙岩体的渗透系数张量是一个非常重要的岩体水力学参数。本文采用结构面现场测量及统计分析方法建立岩体结构的概率模型 ,进而采用 Monte-Carlo模拟技术生成岩体裂隙网络模型 ,由裂隙网络模型中的连通裂隙计算岩体的渗透系数张量 ,并给出了工程应用实例。     

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅰ)：裂隙网络的随机生成

对于裂隙岩体中的渗流来说，离散裂隙网络模型比等效连续体模型更能刻画其基本规律。发展了用于模拟裂隙岩体渗流的三维离散裂隙网络数值模型，并编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow。该模型可以利用野外露头上采集到的裂隙的观测数据，通过计算机处理最终形成三维裂隙网络的人工几何模型，然后用边界元法求解所生成的裂隙网络中的渗流问题。在此第一部分中，介绍了利用计算机随机生成三维裂隙网络的详细过程，然后利用算例校核了程序的正确性。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

 将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

围压对节理岩体表征单元体尺寸的影响研究

 节理岩体的力学特性与其赋存的应力状态密切相关,已有的岩体表征单元体确定方法均没有考虑围压对表征单元体尺寸的影响。以某公路隧道为工程背景,采用三维离散元数值方法,对此问题进行研究。基于现场大量节理量测,统计出研究区岩体的优势节理组,建立岩体结构模型及三维离散元数值模型,模拟岩体的压缩试验,研究不同围压条件下表征单元体尺寸及岩体变形和力学特性的变化规律。结果表明：当围压小于20 MPa时,表征单元体尺寸随围压增加呈正相关增大;当围压大于20 MPa时,表征单元体尺寸不受围压影响,保持不变。当围压小于60 MPa时,岩体承载力随围压增加呈正相关增大;当围压大于60 MPa时,岩体承载力不随围压增加而变化。岩体的轴向应变、横向应变和体积应变随围压的变化规律也表现出明显的围压效应。     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

基于三维裂隙连通率的裂隙岩体表征单元体研究

三维裂隙连通率综合反映了岩体内裂隙发育特征,是评价工程岩体稳定性的一个重要参数。为合理选取具有代表性的裂隙连通率,基于投影法对水平向三维裂隙连通率的尺寸效应进行分析研究,进一步确定岩体表征单元体尺寸。首先,对实测裂隙数据进行几何参数统计分析,采用逆建模方法建立一个100 m×100 m×140 m的裂隙网络模型。在模型中的10个不同高程上设置水平向的投影基准面,基准面尺寸位于5 m×5 m～100 m×100 m范围。利用投影法计算各投影基准面的三维裂隙连通率,分析三维裂隙连通率随研究尺度的变化情况。采用T检验和F检验判定各级尺寸与最大研究尺寸的研究区域的连通率均值和方差是否存在显著差异。研究结果表明,当研究尺寸达到65 m×65 m时,连通率均值和方差进入稳定状态,该尺寸可视为研究岩体水平方向的表征单元体。     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

堆石坝现场碾压试验与离散元数值分析

根据糯扎渡水电站大坝上下游粗堆石区 I 区料源的现场碾压试验,基于离散元法提出堆石坝碾压试验数值模拟方法,并通过该方法对堆石坝现场碾压试验进行数值分析,探讨碾压过程中粒径分布对碾压质量的影响,分析碾压过程中颗粒的运动规律、密度形成机制及压实特性;模拟结果与实测结果基本吻合,验证离散元数值模拟方法应用于堆石坝碾压特性研究的可行性,更直观地从细观角度解释堆石体碾压过程中宏观参数(如干密度等)的变化规律,为大坝I区堆石料选取科学合理的碾压施工参数,为堆石体碾压特性研究提供新的途径。     

基于离散元理论的静压沉桩过程颗粒流数值模拟

 通过对二维颗粒流程序进行二次开发，对静压沉桩过程进行模拟。模拟结果揭示了桩端、桩周土体在桩土相互作用过程中各自所扮演的角色，从细观层面解释沉桩过程，将沉桩过程中桩体宏观力学行为表现与桩周土体受沉桩影响的细观结构变化联系起来，增进了对沉桩过程的深入理解和规律的揭示。主要结论如下：(1) 不同桩端形式桩周颗粒位移表现不同；(2) 端阻力随贯入过程均呈现似稳值现象；(3) 桩–土宏观响应与土体细观参数变化之间存在紧密联系；(4) 桩端接触面处颗粒以滚动为主，仅一小部分发生滑动；(5) 端阻力与桩尖角度有一定联系。     

岩体离散裂隙网络稳定性计算的节理有限元法

通过对广乐高速公路坪石至樟市段大量裂隙岩体边坡的稳定性研究认为：客观的地质模型、恰当的本构关系、正确的计算参数、有效的计算方法是裂隙岩体模拟计算的4个关键问题,抓住并解决好这4个方面的问题,是裂隙岩体数值分析取得可靠成果的关键。提出裂隙岩体稳定性模拟计算的节理有限元法(JFEM),视裂隙岩体为由岩块和离散裂隙网络组成的二元结构,同时考虑岩块和离散裂隙的属性,充分体现岩块和岩块接触作用的非线性关系。首先,基于Jaeger单结构面理论,应用JFEM计算裂隙岩体的抗压强度,以验证JFEM的可靠性;其次,引入离散裂隙网络模型(DFN),重点探讨基于Voronoi模型、Baecher模型和Veneziano模型的裂隙岩体稳定性计算问题,岩块和节理的本构关系分别采用广义的Hoek-Brown准则和Barton-Bandis剪切强度准则,应用强度折减法计算裂隙岩体的稳定系数,并对裂隙岩体网络模型中关键参数取值对岩体的稳定性影响进行探讨。研究结果可为裂隙岩体的稳定性评价提供一个新的思路,为工程决策提供理论依据。     

基于离散单元法的节理岩体支护分析

为了研究开挖卸载及临近区域的爆破施工对节理岩体和现有支护结构造成的不利影响，结合大连地下石油储备库洞室群局部不良地质的支护设计，针对节理岩体特点，基于离散单元法开展围岩静力、动力支护效果分析。首先，根据备选支护方案，分析开挖卸载的静力支护效果，获得应力场、位移场结果，研究备选支护方案的可行性及改进之处。然后，依据现场实测结果施加等效爆破荷载，分析临近区域爆破振动的动力支护效果，获得分析点的时程曲线及速度、应力、位移的变化规律。采用的计算方法为实际工程的静力、动力支护分析以及确定爆破振动安全允许标准提供一定的参考价值。