物质点法在岩石断裂数值模拟中的应用

裂隙的存在严重影响了岩体结构稳定,合理描述含裂隙岩石的非线性力学特性的变化规律是近些年研究的重难点。对此,提出了一种考虑质点失效的光滑粒子动力学数值模拟方法(RSMPM)。RSMPM依据MPM算法的基本原理,采用摩尔—库伦破坏准则,在每一计算步中均遍历所有质点,对达到破坏条件的质点进行失效处理,以质点的失效过程来描述岩石的动态断裂过程。通过将单裂隙标准立方体试样、单裂隙巴西圆盘试样的数值模拟结果(裂纹扩展过程、主应力云图分布)与以往研究成果的对比验证了所提方法的准确性,为光滑粒子动力学方法在岩石力学工程中的应用及岩石断裂机理的认识提供了参考。     

岩石力学参数对TBM掘进速率的影响分析

为分析岩石物理力学性质对全断面岩石掘进机(TBM)掘进速率的影响,根据南水北调西线工程中的围岩地质条件,利用三维离散元程序3DEC建立了TBM滚刀破岩三雏仿真模型,分析了岩石力学参数不同时TBM掘进速率的变化规律,并用最小二乘法拟合了TBM掘进速率与岩石力学参数之间关系的直线图.结果表明,在一定范围内TBM掘进速率随岩石单轴抗压强度和弹性模量的增大而降低,随岩石泊松比的增大而增加,为南水北调西线工程引水隧洞TBM施工提供了数值依据.     

鄂西北武当群片岩隧道围岩分级标准探讨

针对鄂西北地区武当群片岩分布广、地质条件复杂多变给隧道工程建设带来较大困难,基于十白、谷竹等高速公路50余座隧道施工阶段的地质调查资料及已有成果,通过分析武当群片岩的地质特征及岩石力学特性,研究了基本质量指标修正值围岩分级法对武当群片岩的适用性,指出在围岩分级过程中应考虑片岩的水敏性和各向异性的影响,并利用地质调查统计及数值模拟计算等手段得出考虑片岩水敏性和各向异性影响的围岩分级修正方法。     

井壁和地层骨架力学稳定性分析和完井方式选择

通过对井壁力学稳定性、地层骨架出砂机理和判断方法等的分析,得出了地层力学稳定性和骨架出砂、防砂对完井方式选择的判断方法和标准①可以通过Bradley井眼周围应力计算方法和Von·Mises剪切破坏理论法判定井眼是否会发生力学上的不稳定,从而作出裸眼完井或支撑井壁的完井方式的选择;②根据岩石破坏理论,当岩石的抗压强度小于最大切向应力时,井壁岩石不坚固,将会引起岩石结构的破坏而出砂,据此可判断在各种生产压差下地层骨架砂是否会遭到破坏,从而选择合适的防砂完井方式.同时,分析了注水、压裂、酸化、稠油、防砂方式、垂直或高陡角裂缝油层、层间压力差异大小等因素对力学稳定性分析的影响.     

水平井地质模型-数值模型-FSD耦合分段压裂优化研究

为解决水平井分段改造和均衡层间产气差异的难题,从岩石细观力学角度出发,建立了岩石渗流-应力-损伤耦合模型(FSD模型);考虑岩石的非均质性,应用弹性有限元法作为应力分析工具,计算分析岩石的应力场和位移场,对水压裂缝的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制和渗流与损伤耦合机制进行模拟分析。采用基于储层特征、完井方式、流体性质及油藏数值模拟等综合信息的Multi Well Simulator开放式软件平台,通过定义损伤断裂延伸准则和FSD模型方程,可以实现油藏数值模拟和FSD动态耦合分析。以D403-2H井为例,建立地质模型-数值模型-FSD模型,对射孔参数、措施层段、分段工具位置等进行优化,对合理划分措施井段和调整产气剖面进行研究。现场应用结果表明,该技术能够有效解决层间矛盾突出的水平井的层间储量动用不均衡的问题。     

周期性荷载作用下岩石力学特性数值模拟研究

为研究周期性荷载作用下岩石的力学特性,开展了基于离散单元法(DEM)的岩石疲劳数值模拟试验,通过模拟单轴压缩试验研究了数值模型中微观参数对试样宏观参数的影响,再通过数值疲劳试验研究了砂岩的疲劳变形特性。结果表明,砂岩的疲劳应力—应变曲线受控于单轴应力—应变过程曲线,疲劳破坏时的轴向应变即为周期性荷载最大应力在单轴应力—应变曲线中所对应的峰后部分应变。通过分析砂岩的疲劳渐进破坏过程发现,最大应力和平均应力是影响砂岩疲劳寿命的两个重要因素。研究成果对于了解岩体疲劳破坏机理、合理评价工程稳定性有重要意义。     

深层砂岩储层破裂压力研究

深部储层的高温高压导致其岩石力学参数与常规储层有较大差异,如使用常规岩石力学理论建立的岩石破裂压力模型计算储层破裂压力,必然会影响影响压裂优化设计,最终影响压裂施工效果。因此正确预测高温下地层岩石破裂压力,对于提高深部地层水力压裂施工效果具有重要意义。本文根据岩石力学和断裂力学理论,结合高温高压对岩石力学参数的实验分析,建立了考虑温度影响的砂岩储层岩石破裂压力计算模型,采用解析解方法对模型进行求解,分别得到了裸眼直井、裸眼水平井、射孔直井及射孔水平井的破裂压力计算模型,计算了不同温度条件下的砂岩储层破裂压力曲线,分析了温度对砂岩储层破裂压力的影响。研究结果表明,随着地层深度的增加,储层温度也随之增加,砂岩储层的破裂压力逐渐上升。该模型对实际压裂施工过程具有一定的指导意义。     

含预制断续裂隙类岩石材料力学特性试验及数值模拟研究

为了研究含预制裂隙岩石的力学特性,制备不同角度的断续裂隙类岩石试件,对含裂隙岩石试件进行单轴试验,发现倾角40°断续裂隙的单轴抗压强度最大,60°次之,20°最小。使用PFC2D对试验过程进行模拟,并分析试验过程中微裂纹与应力的变化规律,发现岩桥强度对试件单轴抗压强度具有重要影响,通过对比发现数值模拟的应力-应变曲线的变化规律与物理试验结果基本一致。     

神经网络技术在油田防砂中的应用及发展方向分析

神经网络技术是基于神经科学研究成果而发展起来的边缘学科,对人工神经网络的应用研究已渗透到许多领域,在石油工业中也经常见到有关的报道。以神经网络在防砂方法优选中的应用为例,介绍了神经网络知识获取、训练学习、优选过程等原理及其实际应用效果。最后,探讨了神经网络技术在岩石力学参数计算、出砂预测、防砂施工参数优选等方面应用的可行性及发展前景,提出了该技术在防砂中的发展方向。     

锚杆支护优越性

锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的。它是一种积极防御的支护方法，是矿山支护的重大变革。 锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩，防止围岩风化；不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。     

岩石力学参数对地下洞室群围岩变形的敏感性分析

岩石力学参数的不确定性是影响地下洞室群围岩稳定性分析的主要因素。以某水电站地下厂房为例,结合工程区域的地质条件,建立三维弹塑性有限元模型,通过单因素敏感性分析方法分析了岩石块体和断层的弹性模量、粘聚力、内摩擦角和泊松比对洞室开挖完成后典型机组断面关键点位移的敏感性。结果表明,顶拱处岩石块体内摩擦角为最敏感参数,其次为块体弹性模量;边墙区域岩石块体弹性模量、内摩擦角敏感性最大;而断层参数的敏感性均较小。因此对该工程进行参数选取时,需对岩石块体弹性模量和内摩擦角加以评估并进行精细化测定,提高数值模拟结果的可靠性。研究成果可为类似工程提供借鉴。     

基于剪应变增量的岩质边坡开挖卸荷深度判别

鉴于确定卸荷破坏程度和深度是岩质边坡稳定性分析首先要解决的问题,基于卸荷岩体力学基本理论,提出以岩体剪应变增量确定卸荷分区的方法,将开挖后的岩体划分为剪切变形区、开挖扰动区和应力不变区,并以锦屏水电站缆机平台边坡为例,对开挖过程进行数值模拟计算,通过与卸荷量百分比法的对比分析,验证以剪应变增量为标准判别卸荷深度的合理性,同时表明卸荷破坏程度和深度与岩体结构密切相关,存在结构面的岩体比完整岩体卸荷破坏深度更大。     

超大断面隧道软弱破碎围岩开挖方案选择及应用效果分析

针对粤东丘陵区某超大断面隧道进口段围岩较软弱破碎、处理不当极易坍塌的问题,为确保工程在该不良地质条件下顺利施工,采用FLAC3D数值软件对超大断面隧道软弱破碎围岩开挖进行数值模拟,通过对比分析双侧壁导坑开挖法和三台阶开挖法对围岩变形、塑性区分布的影响程度,寻找出最适合该隧道Ⅴ级软质破碎围岩段的经济、快速施工方法。将现场监测的围岩变形数据与数值仿真计算结果进行对比表明,三台阶开挖法可以更有效地控制超大断面隧道软弱围岩变形,适合于超大断面隧道软弱破碎围岩段的快速施工。     

Material Forces in Non-Classical Thermo-Hyperelasticity

The contribution's main objective is the treatment of non-classical nonlinear thermoelasticity based on the approach of Green and Naghdi within the context of the material force method. Material forces have proven to be well suited for the examination of defect mechanics and have become a very powerful and active research topic over the last decades. The numerical realization is based on finite elements in space as well as in time. Examples of investigating material forces within Green–Naghdi thermoelasticity are provided.     

综放面顶层巷外错布置及围岩稳定性研究

为解决斜沟煤矿13#煤层综放工作面上隅角瓦斯超限和提高顶煤回收率的问题,通过测试煤层及顶板围岩物理力学参数,基于工程类比法确定顶层巷外错式布置巷道支护方案,运用FLAC^3D数值软件对顶层巷外错式布置围岩稳定性进行模拟,结果表明：顶层巷外错布置有效解决了上隅角瓦斯积聚,提高了顶煤回收率。     

基于数值流形方法的水库岩体边坡稳定分析

利用数值流形方法可以模拟边坡大变形和连续—非连续变形的特点,分析了某一水库岩体边坡在库水位骤降时的变形规律,提出了利用边坡位移确定岩体滑动面内摩擦角的方法。利用传统安全系数的概念,考虑库水位骤降时的地下水渗透压力的作用,对该水库边坡的稳定性进行分析和评价。     

高拱坝与地基体系损伤破坏分析

为了更好地反映高拱坝与地基体系在不同状态下的破坏过程,需同时考虑坝体和地基的损伤破坏。基于损伤力学理论,采用反映岩体变形模量不均匀分布的Weibull数值模型,建立了拱坝-地基体系损伤破坏分析的数值模型,并以锦屏一级高拱坝为例,同时考虑坝体及地基损伤,分别模拟了拱坝-地基体系在静力超载和地震作用下的损伤破坏过程。结果表明,锦屏岩基在静力超载下具有较大的安全度,而在地震作用下由于坝体-地基的动态相互作用,其损伤对拱坝体系损伤破坏过程影响较为明显。     

水利工程岩体质量分类方法综述

为加深对岩体质量分类体系的研究,从模糊分类法、可拓物元法、神经网络法、分形描述法、灰色聚类法、专家系统法等方面介绍了各种岩体质量智能化分类方法的原理与应用,分析了各种分类方法的研究现状及优缺点。最后,分析并总结了岩体质量研究的趋势和发展方向。