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.     

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。     

裂隙岩体的热-水-应力耦合模型及二维有限元分析

尝试将Barton-Bandis模型和Oda的裂隙张量理论结合起来应用于饱和-非饱和裂隙岩体中热-水-应力耦合过程的计算分析,研制了相应的二维有限元程序,并列举算例比较了无、有多组裂隙岩体中的应力场、渗流场和温度场的分布及变化情况。由此看到:由于不连续面的存在减弱了母岩的刚度和增大了其透水能力,使得裂隙岩体中的应力集中程度降低和渗流速度提高,从而热源产生的热量可较快地被水流传输到周围区域中去,岩体中的温度和负孔隙水压力量值也相对较低。     

饱和–非饱和介质水–应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和–非饱和孔隙介质中水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式,对一个假定的非饱和土体中水–应力耦合问题进行了数值计算,考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布,定性验证了该程序的正确性。     

基于双重孔隙介质模型的渗流–应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性，基于双重孔隙介质模型，建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立，渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题，采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF，并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析，模拟约     

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。     

基于双重孔隙介质模型的渗流-应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性,基于双重孔隙介质模型,建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立,渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题,采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF,并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析,模拟约22 000个时步。计算结果表明,并行耦合分析模型对于渗流应力的耦合分析是很有效的。     

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。     

广义双重介质岩体水力学模型及有限元模拟

根据裂隙发育规模与工尺度的关系,将裂隙岩体看作是由离散介质和拟连续介质组成的广义生介质岩体,提出了广义双重介质岩体水力学模型,并对其有限元解法进行了较为详细的研究。其中对拟连续介质地体的裂隙展布按分形理论进行模拟。最后以王庄矿３＾＃煤层的注为算例,验证了该模型基本上是合理的、可行的。     

裂隙岩体渗流与应力耦合分析

岩体变形与水力特性主要决定于岩体中的裂隙分布、密度和尺寸。本文建议的岩体渗流与应力耦合分析方法以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础。文末给出重力坝及坝基渗流与应力耦合数值分析算例。     

裂隙岩体渗流损伤耦合模型的理论分析

 基于自洽理论推导了复杂应力状态下含水裂隙岩体的本构关系及损伤演化方程, 提出了考虑断裂损伤效应的裂隙岩体渗透张量表达式, 综合以上两个方面, 建立了多裂隙岩体渗流损伤耦合的理论模型。     

节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法

节理岩体的渗透破坏、节理岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关,而节理岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的应用。应用无网格法来求解节理岩体的渗流问题,建立节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法。通过变分原理详细推导无网格与有限元耦合方法求解节理岩体渗流的离散方程及相关计算公式,并利用耦合方法对边界条件进行处理。最后,给出的数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

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。     

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。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

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。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

地下工程锚固岩体有限元分析的并行计算

为了解决当前大型岩土工程单机计算困难、计算时间长、精度低的问题,在弹塑性有限元串行算法的基础上,提出了考虑岩体锚固问题的弹塑性并行算法,用VC 6.0开发了基于Windows操作系统的并行有限元计算程序,实现了数据的分布式存储和计算,并在计算机集群(COW)上成功地对水布垭尾水洞洞室支护进行了并行有限元计算分析。与单机串行算法相比,较大程度地减少了计算时间,提高了计算效率。