遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型及有限元分析

建立一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大.     

一种双重孔隙介质水–应力耦合模型及其有限元分析

建立了一种双重孔隙介质水–应力耦合模型,其特点是可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度的变化的影响,并研制出相应的二维有限元程序。在假定裂隙的渗透性与裂隙间距无关的前提下,通过算例考察了不同的裂隙间距对双重介质岩体中的变形、主应力、孔隙水压力及裂隙水压力的作用,并与单重介质岩体的相应情况作了对比。结果显示:裂隙间距对双重介质岩体的位移影响很大,但对岩体主应力及孔隙与裂隙水压力的影响很小,岩体水压力主要取决于孔隙与裂隙的孔隙率与渗透系数。     

考虑双重孔隙–裂隙岩体中强度异向性的THM耦合有限元分析

计入裂隙连通率,进一步完善了确定双重孔隙–裂隙介质岩体的黏聚力及内摩擦角的方法,将其引入独立开发的热–水–应力耦合二维弹塑性有限元程序中。假定一个位于饱和岩体中的实验室尺度的核废物地质处置库模型,以此为计算背景,拟定裂隙组正交和斜交的二种情况,进行热–水–应力耦合有限元分析。结果表明:与裂隙组正交时的各场量呈轴对称分布相比,两组裂隙斜交时,孔隙水压力及其流速呈轴对称分布,但岩体中的应力场、裂隙水压力及其流速、塑性区均呈非轴对称分布;裂隙组正交时岩体中的塑性区大面积出现,而裂隙组斜交时岩体中几乎无塑性区产生;岩体中裂隙组的产状强烈地影响到应力场、塑性区和裂隙水的状态。     

裂隙岩体地区导热–对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程，考虑受垂向流影响的温度场，建立地温与深度之间的函数关系，并建立不动点迭代方程，编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本，构造减速膨胀曲线，对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明，同正态分布和均匀分布相比，裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数，如渗透系数，具有避免过多主、客观因素干扰，计算过程清晰，结果明确的特点。     

不连续面对饱和–非饱和介质热–水–应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和–非饱和介质中的热–水–应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

岩体结构类型与水力学模型

 岩体水力学是一门研究岩体内一定温度条件下渗透力与应力相互作用关系及其耦合作用对岩体及岩体工程稳定性影响的交叉学科。为了准确描述岩体的水力学问题, 定义了有关名词。依据岩体的水力学特征, 把岩体的结构分为五类, 即: 准孔隙连续介质、裂隙网络介质、双重介质、岩溶管道网络介质以及岩溶溶隙- 管道介质。以岩体结构类型、达西定律、立方定律等为基础, 推导了在变温度和变应力条件下的孔隙型、裂隙型及管道型岩体的渗透定理, 并将岩体渗流场、温度场与应力场耦合模型分为两大类, 即: 集中参数型模型和分布参数型模型。     

降雨入渗下互层状裂隙岩体非饱和渗流分析

在总结缓倾状互层裂隙岩体的裂隙发育规律的基础上,给出了其裂隙网络生成方法;介绍了双重介质非饱和渗流理论,并基于此对缓倾状互层裂隙岩体的非饱和渗流场进行了分析,总结了互层状裂隙岩体降雨入渗条件下的非饱和渗流场的一些特征。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

孔隙率对岩体中THM耦合作用的弹塑性有限元分析

笔者使用Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型和摩尔-库伦准则,假设在饱和的石英颗粒聚集岩体中有一实验室尺度的高放废物地质处置库模型,针对其拟定两种计算工况:(1)内摩擦角和黏聚力均为常数;(2)内摩擦角为常数,黏聚力是孔隙率的负指数函数,进行4a处置时段的热-水-应力(THM)耦合有限元数值模拟,就岩体中的温度场、渗流场、应力场和浓度场的变化及分布情况进行了考察。结果显示:与黏聚力是常数的情况相比,黏聚力随孔隙率而变化时,岩体相同部位进入屈服阶段的时机滞后,塑性区减小,并推迟了塑性部位的溶质浓度、迁移/沉淀质量、反应体积和颗粒贯穿深度的突变时间;弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀相比于弹性区有明显的变化,并对渗流场(孔隙水的压力及流速)和应力场产生显著的影响。     

压力溶解和自由面溶解/沉淀对双重孔隙岩体中热–水–应力耦合影响的有限元分析

 引入裂隙开度的压力溶解和自由面溶解/沉淀模型,针对一个假设的位于饱和双重孔隙–裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定3种计算工况：(1) 裂隙开度是压力溶解和自由面溶解/沉淀的函数;(2) 裂隙开度仅随压力溶解而变化(这2种工况中基岩的孔隙率亦是应力的函数);(3) 裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热–水–应力耦合的二维有限元分析,考察岩体中的温度、裂隙开度及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。结果表明：自由面溶解/沉淀引起的裂隙开张及渗透系数增量的绝对值要明显大于压力溶解产生的裂隙闭合及渗透系数减量的绝对值,而压力溶解对裂隙的开度及其渗透系数的影响较小;同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀相比于仅考虑压力溶解,同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀的裂隙开度及其渗透系数分别约为仅考虑压力溶解时的1.5和7.0倍;在释热温度场的作用下,计算域中的裂隙水压力随时间先上升再下降,但变化幅度不大;3种工况下岩体中的应力量值及分布差别很小。     

基于优化算法的岩体初始应力场随机识别方法

根据隧道开挖后其周围地应力变化的观测数据，建立了基于优化算法的岩体初始应力场识别方法。将地应力场参数识别反问题转化为优化问题，然后采用BFGS方法求解。最优估计的岩体初始应力场是通过比较观测到的应力变化与预计值的差异而得到的，数值算例中考虑了观测误差对参数识别结果的影响。采用所建立的反演方法，地应力场的主应力的大小和方向可以被准确识别出来。数值计算结果表明，所建立的地应力场反演方法是十分有效的，并且具有良好的抗观测噪音的能力。     

新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究

在中国西南某新型引水式水电站工程中使用水压致裂技术开展了原地应力及相关岩体力学参数测试。结果表明,工程区现今应力场状态以NNW向挤压为主,最大主应力值为7.35～8.16 MPa,方向约为N33～52°W,倾角约26～39°。气垫调压室三维原地应力状态的最大主应力值为10.63 MPa,最小主应力为4.98 MPa;围岩岩体抗劈裂强度高值区在5.50 MPa以上,低值区为3.00～3.50 MPa。根据围岩应力分布非均匀性遵循的一般性规律,结合原地应力测量与裂隙围岩原地承载能力测试结果的各自特点,提出了利用地应力测量数据、原地承载力测试结果、弹性模量数据综合评估承压洞室围岩最小主应力的方法,给出气垫式调压室部位最小主应力综合评估值2.86 MPa。并分析了地应力状态对地下厂房、引水隧洞、气垫调压室稳定性的影响。     

新疆某高放废物预选处置库区地应力测量研究

 为了获得预选处置库区现今地应力的赋存特征,在该区花岗岩体内的4个深钻孔中采用水压致裂方法进行地应力测量。基于钻孔岩芯编录结果,在0～700 m深度范围内,成功取得地应力量值和最大水平主应力方向数据。依据获取的地应力实测资料,结合拜尔利定律和断层摩擦库伦准则,对预选区的地应力状态及断层活动性进行分析。结果表明：(1) 3个主应力随深度呈现出较好的线性关系;(2) 测试深度范围内,水平应力普遍高于垂向应力,预选区构造应力占主导地位,且随深度的增加逐渐减弱,岩体北部的水平力作用强于中部及南部,南部最弱;(3) 最大水平应力优势方位为NEE,与区域构造应力场方向基本吻合,自青藏高原内部及边缘到东天山地区,现今最大主应力的作用方向表现为由NE～NEE的变化规律;(4) 预选区地应力量值未达到断层摩擦滑动临界值,断层活动性较弱;(5) 研究成果为处置库的开挖设计和稳定性评价提供科学的指导,实测资料填补了该区域地应力数据的空白,为我国西部地区地应力场分布规律研究提供重要参考资料。     

Numerical modelling of three-dimension stress rotation ahead of an advancing tunnel face

As underground excavations and construction works progress into deeper and more complex geological environments, understanding the three-dimensional redistribution of excavation-induced stresses becomes essential given the adverse consequences such stresses will have on the host rock strength and the subsequent excavation stability. This paper presents the results from a detailed three-dimensional finite-element study, which explores near-field stress paths during the progressive advancement of a tunnel face. These results demonstrate that as the tunnel face approaches and passes through a unit volume of rock, the spatial and temporal evolution of the three-dimensional stress field encompasses a series of deviatoric stress increases and/or decreases as well as several rotations of the principal stress axes. Particular emphasis is placed on the rotation of the principal stress axes as being a controlling factor in the direction of fracture propagation. If this orientation changes in time, i.e. during the progressive advancement of the tunnel face, the type of damage induced in the rock mass and the resulting failure mechanisms may also vary depending on the type and degree of stress rotation. The significance of these effects is discussed in terms of microfracture initiation and propagation, brittle fracture damage and rock strength degradation. Further analysis is also presented for varying tunnelling conditions including the effects of tunnel alignment with respect to the initial in situ stress field, excavation sequencing and elasto-plastic material yielding. Implications with respect to the new Gotthard base tunnel, currently under construction in Switzerland, are presented using examples from the nearby Furka tunnel.     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

晋城矿区地应力场研究及应用

 随着矿井开采深度与强度的不断增加,地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出,在煤矿矿区进行地应力测量,并分析地应力场分布特征具有重要意义。在晋城矿区,采用小孔径水压致裂地应力测量装置,进行10个煤矿、62个测点的二维与三维地应力测量。实测数据表明：晋城矿区原岩应力以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;地应力值属于中等水平;矿区东部与西部水平主应力方向变化较大,主要原因是受晋获褶断带的影响。基于实测数据,绘制晋城矿区地应力分布图;采用回归方法分析地应力随埋藏深度的变化规律;论述水平主应力与垂直主应力的比值同埋藏深度的关系,并与霍克–布朗包线进行比较。选择典型矿井,将地应力测量结果应用于巷道布置与支护设计,根据地应力场分布特征提出合理的巷道轴线布置方向,并在井下应用中得到验证。井下地应力测量为晋城矿区提供了可靠的基础数据,对指导矿区井田开拓、巷道布置与支护设计、采煤方法的选择等工程实践具有重要参考价值。     

横观各向同性地层水平井井壁拟三维应力场计算模型

 针对横观各向同性地层,基于各向异性材料力学理论,运用应力叠加原理和坐标变换方法,考虑井筒流体压力、最大水平主应力、最小水平主应力和上覆岩层压力作用,推导横观各向同性地层中,水平井沿任意方向钻进时井壁应力场的拟三维解析解。进而分析了页岩和砂岩水平井井壁上任意岩石质点3个主应力的分布规律,分析表明,与地层力学性质各向同性条件相比,力学性质各向异性时,井壁上任意岩石质点的第一主应力 没有改变,而第二主应力 和第三主应力 发生了改变,岩石力学性质各向异性度越大,主应力 和 改变越大,岩石力学性质高各向异性度增加了井壁可能发生张性破裂的点数。研究成果可为横观各向同性地层水平井水力裂缝起裂以及井壁稳定性分析提供参考。