变饱和裂隙多孔介质的双渗透率数值模型与参数分析

针对裂隙多孔介质中的变饱和流动与运移,分析了双渗透率数值模型的参数构成与计算特征。双渗透率模型由分别代表裂隙等效连续介质和孔隙介质的两组并列体积单元集合构成,用平均裂隙宽度和平均裂隙间距表达裂隙等效连续介质的参数,用裂隙单元与孔隙单元之间的有效作用面积、有效作用距离和有效渗透系数描述裂隙-孔隙相对流动和运移。裂隙-孔隙相互作用参数取决于概念模型,并与流体动态相关。计算分析表明,裂隙单元与孔隙单元之间的毛细力梯度与重力的共同作用决定裂隙流动、孔隙流动和裂隙-孔隙相对流动的相对大小,流体和溶质的动态受到裂隙宽度变化的显著影响。     

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。     

裂隙土渗流模型研究进展综述

在实际工程中,对于裂隙土的边坡、道路桥梁工程及基础土体,渗流对其承载能力、稳定性有显著的关联作用。裂隙土体渗流模型的研究并不少,现就几种目前最主要的裂隙土体渗流模型研究现状及其特点和不足进行了阐述,并在上述基础上提出了一些新的展望。等效连续介质模型是目前应用最为广泛的模型,但它也有自己的缺点,一些张量的确定不够准确,需要进一步研究,如裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量等。从细观力学结构入手研究渗流耦合模型是一个极其明智的出发点,其必将极其具有重大的理论意义和实用价值。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

岩体渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型

 将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理, 即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系、四级连续介质体系。各级裂隙(孔隙) 都形成各自的裂隙网络, 以水量平衡原理建立各级裂隙网络之间的联系, 并考虑各级裂隙渗流与应力不同的相互作用关系, 建立起岩体渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型, 并给出了工程应用实例。     

复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析

采用等效连续介质模型和离散裂隙单独分析相结合的方法进行复杂裂隙岩体的模拟,分别给出了裂隙岩体介质和离散裂隙介质的弹塑性本构关系;首次采用四自由率全耦合法,建立了基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合有限元方程组;结合算例分析,得出了若干有益于工程的结论,并进一步表明耦合分析的重要性和四自由度全耦合法的优越性。     

裂隙膨胀土渗流研究进展

膨胀土在反复干湿循环中,吸水膨胀失水收缩,先出现主裂隙逐步发展更多的次裂隙,最后把土体分割成碎块。蒸发速度、含水率梯度、试样的水分蒸发量等是影响裂隙发育的主要因素。采用拍照法可得到二维平面上裂隙情况,通过处理图像和三维建模可得到空间裂隙情况。介绍了几种裂隙渗流模型的研究现状,分析了各自的优缺点,等效连续介质渗流模型应用最为广泛。裂隙的存在为渗流提供了通道,膨胀土渗流应考虑裂隙的影响。     

基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

核废料贮存裂隙岩体水热耦合迁移及其与应力的耦合分析

 博士学位论文摘要　核废料深层地质贮存的安全性分析, 一个重要指标就是要充分体现在贮库裂隙围岩介质中地下水流动、附加应力和热载耦合作用下的岩体性能稳定。为了达到这一耦合过程对岩体行为的全面理解, 试从各自耦合过程特征出发, 把裂隙岩体视为等效连续介质, 对裂隙岩体介质THM 耦合参数特性进行分析, 从而建立描述裂隙岩体介质THM 耦合的数学模型。概括起来, 从以下几方面来完成这项研究。在裂隙岩体力学模型方面, 利用O ′Connell 建立的干(或饱和水) 裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式, 并由式中的裂隙密度概念意义, 建立了温度作用下的裂隙密度与O da 提出的裂隙张量之间的关系式。在裂隙岩体渗透模型方面, 利用O da提出的描述裂隙岩体渗透特性的附加裂隙张量, 并以裂隙结构面的开度、岩体裂隙数(包括受温度影响开通裂隙数)、裂隙连通率、附加应力、剪切膨胀和化学成份为研究对象, 建立了具有THM 耦合特性的渗流系数张量。在理论分析方面, 建立了THM三方面满足的本构方程式和描述核废料贮库裂隙岩体介质热2液2力耗散过程的定解方程。在实验基础上, 给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力2应变、抗压强度回归拟合关系表达式以及岩体裂隙结构面的温度2应力2水力耦合本构关系式。在数值分析方面, 利用加权残数法理论, 导出了求解所建立的THM 耦合数学模型的有限元计算公式, 并编制了二维有限元计算程序。用BM T1 问题的算例, 获得了较满意的计算结果, 从而显示了其数值模拟的成功性。     

考虑裂隙动态变化时裂隙土土水特征曲线的预测方法研究

 裂隙广泛分布于表土中,为土中渗流提供优势通道,导致土中渗透系数增大。裂隙土的土水特征曲线(SWCC)是分析裂隙土渗流问题的关键因素。考虑裂隙的动态变化,提出一种预测裂隙土土水特征曲线的新方法,并通过实例分析对此方法进行试验验证。将裂隙土系统分为裂隙网络系统和土体系统两部分,将相同状态下2种孔隙系统的土水特征曲线组合得到裂隙土在该状态下的土水特征曲线。随着裂隙的开展,可以得到裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线。将裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线进行合理组合,即可得到考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线。通过室内试验模拟裂隙在土样脱湿过程和吸湿过程中的动态变化,测定脱湿过程中的SWCC,用所提出的方法预测考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并将预测结果与试验结果进行对比。预测和试验结果都显示,裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征。在达到土体的进气值之前,曲线由裂隙网络控制;当基质吸力较大时,曲线由土体的SWCC控制。试验结果与理论预测基本一致。     

Seismic analysis of geosynthetic-reinforced retaining wall in cohesive soils

Although a cohesionless backfill is recommended for geosynthetic reinforced earth retaining walls, cohesive soil have been widely used in many regions across the globe for economic reasons. This type of backfill exposes the soil to the crack formation that leads to reduce the stability of the system. In this paper, to investigate the internal seismic stability of reinforced earth retaining walls with cracks, the discretization method combined with the upper bound theorem of limit analysis are used. The potential failure mechanism is generated using the point-to-point method. Two types of cracks are considered, a pre-existing crack and a crack formation as a part of the failure mechanism. The use of the discretization method allows the consideration of the vertical spatial variability of the soil properties. A pseudo-dynamic approach is implemented which allows the account of the dynamic characteristics of the ground shaking. The presented method is validated using the conventional limit analysis results of an existing study conducted under static conditions. Once the proposed technique to consider the cracks is validated, a parametric study is conducted to highlight the key parameters effects on the lower bound of the required reinforcement strength.     

层状裂隙岩体蠕变柔量估计的合理方法

基于Taylor模型方法和粘弹性断裂力学理论，推导了层状裂隙岩体的单轴、剪切以及体积蠕变柔量，并合理考虑了裂隙相互作用效应的影响，分析了层状裂隙岩体单轴蠕变和剪切蠕变的各向异性。计算分析指出，裂隙岩体的单轴蠕变柔量随裂隙密度参数的增加而增大，随裂隙倾角的增加而减小。考虑裂隙相互作用效应时，层状裂隙岩体的蠕变柔量明显大于不考虑裂隙相互作用的情况。该方法为通过室内岩石流变实验了解实际工程中裂隙岩体的蠕变特性提供了一种可能。     

Damage detection method for large structures using static and dynamic strain data from distributed fiber optic sensor

A method for damage detection applicable to large slender steel structures such as towers of large-scale wind turbines, long-span bridges, and high-rise buildings is presented. This method is based on continuous strain data obtained by distributed fiber optic sensor (FOS) and neural network (NN) analysis. An analytical model for cracked beam based on an energy balance approach was used to train a NN. The continuous static strains and the natural frequencies obtained from the distributed FOSs were used as the input to the trained NN to estimate the crack depths and locations. An experimental study was carried out on a cracked cantilever beam to verify the present method for damage identification. The cracks were inflicted on the beam, and static and free vibration tests were performed for the intact case and the damage cases. The distributed FOSs were used to measure the continuous strains. The damage estimation was carried out for the 5 damage cases using the NN technique. It has been found that the identified crack depths and locations agree reasonably well with the inflicted cracks on the structure.     

流纹岩天然裂隙网络几何特征分析

 天然岩石中裂隙的统计分析是其力学性能研究的基础,裂隙发育几何特征与岩石所处的应力状态密切相关。基于裂隙网络在长度和方向上的相关性,提出一种综合考虑裂隙长度和倾角的裂隙网络几何方向贡献参数?,可以准确计算裂隙网络的优势发育方向?p,进一步计算得到描述裂隙网络随机程度的随机参数?,将其用于泥巴山隧址区流纹岩裂隙网络的分析。研究结果表明,裂隙网络几何贡献参数?和随机参数?具有明确的几何物理意义,裂隙网络几何贡献参数?可以较为准确地计算裂隙网络的综合优势角?p,随机参数?可定量评价裂隙网络发育的随机程度,?越小裂隙网络优势方向越明显,三者之间存在定量关系。研究成果为复杂天然裂隙网络统计提供了一种有效的方法,为进一步开展裂隙性岩石力学特性研究奠定基础。     

Hydro-mechanical interaction analysis of high pressure hydraulic tunnel

The reinforced concrete lining of hydraulic tunnel cracks under high internal water pressure and the high pressure water will leak off from the crack surface, which is a typical hydro-mechanical interaction problem. Unfortunately, the analytical and numerical methods used in current engineering practice for simulating the hydro-mechanical interaction of the lining and surrounding rock do not adequately account for the effects of the cracking of lining as well as the conditional cooperation between them. When lining cracks under high internal water pressure, the tensile strain of concrete and reinforcement presents to be nonuniformity and the lining would detach from the surrounding rock in a certain condition. In this paper, the nonuniformity coefficients of reinforcement strain and concrete strain are introduced to compute the secondary permeability of cracked lining and a water-filled joint (WFJ) element is developed to simulate the conditional cooperation between the reinforced concrete lining and surrounding rock. Thus an equivalent coupling method is adopted to calculate the hydro-mechanical interaction in hydraulic tunnel. The results show that the reinforcement stress obtained by the new method and the observed data match well. The phenomenon that the reinforcement stress stays at a lower value in the reinforced concrete tunnel with high internal water pressure is verified.     

Plasticity model for directional nonlocality by tension cracks in concrete planar members

The concept of directional nonlocality is defined to describe the inherent characteristics of concrete tensile cracks affecting the compressive behavior as well as the tensile behavior of concrete. In the cracked concrete, the crack damage in one direction is influenced by damages from other directions. In the present study, a material model was developed to describe the directional nonlocal effect by tension cracks in concrete planar members. For nonlinear numerical analysis of concrete, the proposed directionality parameter was employed in the plasticity model with multiple failure criteria, and an identical tension crack parameter was used for both the tensile behavior and compressive behavior of the concrete. In the proposed plasticity model, tensile and compressive micro failure surfaces defined in the prescribed multiple fixed orientations were used to describe the directional nonlocality in the micro-structure of concrete, and the overall failure surface of the concrete was calculated by averaging the multi-oriented micro-surfaces. The proposed plasticity model was used for nonlinear finite element analysis of reinforced concrete shear panels, and the analysis results were compared with test results.     

土体裂隙的量测表征及开裂试验研究

本文研究土体裂隙的量测方法与定量化表征指标,基于MATLAB程序语言开发了一套能进行单张、批量土体裂隙图像处理、三维重建的软件.运用软件,对合肥膨胀土进行失水收缩开裂的试验,通过记录试样的开裂及裂隙演化过程,定量分析裂隙度、裂隙总长度、裂隙平均宽度以及裂隙分形维数等指标随含水率的变化关系.结合张拉破坏及体积收缩相关理论...     

旱涝急转下斜墙坝渗流特性试验研究

对斜墙坝渗流安全,关注点多在于是否形成稳定渗流场,浸润线高低以及渗流量多少等,渗流分析基本为饱和渗流,而在旱涝急转情况下,受旱土体处于非饱和状态,土体表面分布着裂缝,渗流情况复杂,常规渗流分析难以进行。基于室内坝坡模型,模拟旱涝急转工况,研究斜墙坝渗流特性。研究结果表明:对于受旱后裂缝发育程度低的黏土防渗体防渗性能良好,其渗透系数要小于饱和渗透系数,而对于裂缝较发育区域,由于其良好的透水性,渗透性远大于土体饱和时的渗透性;降雨及水位上涨时,裂缝会自行愈合,但愈合仅限于表面,土体完整性无法再回到产生裂缝前的状态,此时坝坡土压力值相对试验初期要小许多,裂缝的产生增大了土体的孔隙率,改变了土体渗透性,永久削弱了黏土防渗体防渗性能。试验得出了旱涝急转下斜墙坝渗流演变规律,可据此对实际工程中的渗流薄弱部位进行重点监测与保护。     

某框架结构梁早期裂缝成因分析与防治

针对某框架梁跨中出现梁侧垂直裂缝和梁底水平裂缝,分别从设计、材料、施工、使用四个方面分析了裂缝产生的原因,提出采用表面处理法、粘贴碳纤维加固法等对梁加固修复,并对如何防止此类裂缝产生提出预防措施,对同类工程问题有一定的借鉴作用。