中等延展性裂隙岩体典型单元体及其渗透张量

岩石力学工程中常利用等效多孔介质方法研究裂隙岩体水力特征,等效渗透系数就是等效方法中的重要参数,典型单元体(REV)尺度与存在性决定了等效渗透系数的可靠性和有效性。因此,研究典型单元体的尺度和存在性有重要意义。利用随机方法和水量均衡法开发离散网格软件FractureToKarst研究裂隙岩体渗透问题,从理论推导和多元线性回归分析两种方法验证了程序在研究裂隙岩体渗流的尺度效应的可靠性。以此为基础建立了两组正交中等迹线长度的二维裂隙网格,讨论了此类裂隙岩体REV的存在性及尺度与其裂隙间距的关系,并通过统计学的方法求解出渗透系数张量。     

裂隙岩体水力行为的数值模拟研究

针对工程裂隙岩体的水力学特点,论文围绕二维混合介质模型,开展了水力介质模型的评价方法、混合介质模型流量守恒方程和系统水力耦合行为数值模拟方法的建立3方面的工作。混合介质模型视大规模工程裂隙岩体为不同水力性质的块体及块间空隙组成的系统,其中块体是作为等效连续介质来反映数量众多且级别低的结构面的总体水力贡献,块间空隙反映数量少但级别高的结构面的水力贡献。该模型的地质基础明确,可操作性强。为此,论文基于力学原理、等效原则和单个结构面的水力特征,建立了等效连续介质中的物理量;基于Cundall平均应力原理证明…     

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。     

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。     

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。     

裂隙岩体渗透特性反演分析

 提出裂隙连通率与连通系数的近似转换方法;采用该转换方法,建立含单组裂隙岩体的等效渗透张量;基于有限单元法,建立一套单孔定向压水试验数值模拟方法,并进行大量数值试验;以数值试验结果作为BP神经网络的训练样本,结合定向压水试验实测资料,提出反演裂隙岩体渗透特性(等效渗透张量)的方法,并通过工程实例验证该方法的可靠性。     

钻孔岩体裂隙几何参数确定方法研究及其应用

 裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要考虑因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出了新的统计方法和计算公式。研究认为：(1) 由于岩体裂隙空间分布多变性,提出了以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2) 钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3) 裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响并提出了修正公式;(4) 裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

钻孔岩体裂隙几何参数确定方法及其应用

裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出新的统计方法和计算公式。研究结果如下:(1)由于岩体裂隙空间分布多变性,提出以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2)钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3)裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响,并提出修正公式;(4)裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

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。