非饱和带水–气二相流数值模拟研究

为了真实反映非饱和带中流体(水和气)的运移规律和渗透特性,将非饱和带中的孔隙水和孔隙气作为研究对象,基于水-气二相流理论,建立了水-气二相流数学模型。该模型采用积分形式的有限差分法对控制方程进行离散,在应用Newton-Raphson迭代方法得到相应的线性方程组的基础上,编制了三维计算程序SEEP2P。通过对土坝稳定渗流和降雨入渗情况的计算分析,得出稳定状态的渗流可以近似采用单相流模型来模拟,降雨入渗下的非稳定渗流问题采用水-气二相流模型来模拟更加符合实际。采用水-气二相流模型模拟得到水相、气相的流动状态,为定量研究孔隙气压力对入渗水流的影响提供了有效途径。     

煤层气越流固-气耦合模型及可视化模拟研究

应用煤岩体变形与煤层气（瓦斯）越流相互作用的新观点，研究了双层系统煤层气越流运移的机理。在地球物理场作用下，双层系统煤层气越流实质上是可压缩性气体在各向异性且非均质的孔隙与裂隙双重可变形介质中的渗透与扩散的混合非稳定流动过程。依据这一新认识，建立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固-气耦合数学模型，并应用该耦合模型于邻近层煤层气涌出的可视化数值模拟实例中。经实测结果验证，该固．气耦合模型是符合实际的；同时，应用三维数值场计算机模拟技术，直观地再现了煤层气越流场与煤岩体变形场耦合效应的宏观变化特征，为地下煤层气越流场中邻近层煤层气涌出的预测和控制提供了可行的新方法。     

气液二相非饱和岩体热–水–应力耦合模型及二维有限元分析

针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸汽二相共存的非饱和孔隙岩体,根据相关的理论,推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程,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,初步开发出了相应的分析热–水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一个核废料处置概念库的计算认识到:高放废物地质处置后的几十年内,缓冲层中的温度及液相饱和度均上升,同时该区域内要出现明显的应力、孔隙水压力、温度、液相饱和度和气相饱和度的集中现象。     

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。     

饱和土介质的固-流耦合动力方程的势函数分解

利用固相和流相位移势函数，把饱和土介质的固-流耦合矢量动力方程分解成为解耦的无旋波和等容波方程，从而使问题的求解大为简化。同时，讨论了土体的孔隙水可自由流动和无渗流的情况，得到了一些有意义的结论。     

垃圾填埋场沉降变形条件下气-水-固耦合动力学模型研究

基于多孔介质流气–水–固耦合和微生物降解理论,建立描述这一复杂动力学行为的二维气–水–固耦合数学模型,并给出耦合模型的数值格式。通过数值仿真实现垃圾填埋体的变形沉降及气体产生和迁移演化过程的可视化,得到气体压力及产气量随填埋年份的变化规律。数值计算结果表明:填埋体内总应力及孔隙度的改变与垃圾降解变化规律一致;抽气过程使场内气体压力得到释放;由于沉降作用填埋场内水相饱和度有增大的趋势,其中底部变化较顶部明显;此外,气井产量的变化与气体迁移单相模型的计算结果基本吻合,验证耦合模型的可靠性,其研究成果为垃圾填埋场沉降控制与气体资源化利用提供技术支持和理论依据。     

地质材料中的流一固耦合研究

阐述地质材料中的流-固耦合问题中的几个重要方面,同时也一般地讨论了流-固耦合的基本方程和边界条件。     

岩体流-固耦合的Taylor展开随机有限元模拟

采用等效连续介质模型,引入介质渗透系数张量与介质体积应变之间的函数关系式,建立能反映介质中孔隙压力与骨架变形非线性耦合作用的数学模型。视模型中的参数为随机变量,采用Taylor展开随机有限元法对该模型进行数值模拟,研究参数具有随机性情况下耦合场中孔隙压力、有效应力、位移等场变量的随机分布特征及孔隙压力、位移等场变量对参数的灵敏度。数值算例可检验所提出方法的有效性。     

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。     

多孔介质流-固耦合渗流数学模型研究

有效应力是多孔介质力学中一个十分重要的基础概念之一，很多多孔介质力学问题的分析都建立在有效应力的概念之上，因此，如何正确地确定有效应力则是多孔介质有关力学理论成败的关键。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

基于流固耦合模型分析库水位对尾矿坝的影响

尾矿库水位是影响坝体安全的重要因素之一,针对库水位变化对尾矿坝稳定性的影响问题,建立考虑超孔隙水压力作用下的流固耦合数学模型,利用有限差分程序FLAC3D进行数值求解.模拟了某尾矿库在不同库水位时的稳定性,得出库水位的升高对尾矿坝影响规律.即随着库水位的升高,尾矿坝浸润线升高,安全系数降低,尾矿坝坝体中部的剪应力逐渐增...     

软岩的损伤西原流变模型及FLAC3D实现

流变是工程软岩岩体的一个重要特性。流变过程中,岩体参数随时间发生损伤衰减。作为常用的本构模型之一,西原流变模型能较为综合地反映岩体弹-黏弹-黏塑性流变性质,但其元件各参数通常假定为常数,对加速蠕变阶段的岩体状态描述不够准确,与实际出入较大。基于西原模型,结合由损伤导致的参数衰减,提出了考虑损伤的西原流变模型及结合三轴压缩试验确定损伤阈值的方法,并进行了FLAC^3D自定义本构模型二次开发。用本模型对已有文献中的三轴试验进行数值模拟,得到的结果与原试验对比,结果表明：考虑损伤的西原流变模型与实际情况较为吻合;实验加载曲线中体积应变有明显拐点,之后损伤急剧增大,可确定为损伤阈值。     

基于FLAC3D的圆形隧道应力位移的数值模拟与分析

利用现阶段国内外流行的岩土数值分析软件FLAC3D,模拟分析了圆形隧道围岩不同阶段的应力和位移,并把数值解和理论解析解进行了对比;分析了剪胀性对于隧道围岩应力位移的影响,对隧道工程的设计和施工有指导作用和参考价值。     

基于SURPAC的矿山开采稳定性FLAC3D模型与模拟

针对FLAC3D软件前处理功能不足和建模比较麻烦的问题,探索了一套利用SURPAC软件建立多网格高仿真复杂FLAC3D模型的方法。通过在SURPAC软件中建立块体模型,然后利用重新分块命令,生成多个不同单元大小的块体模型,利用约束组合分别导出其中的一部分点的数据,汇合到一起,得到一个新的含有多种网格的块体模型的数据,经过数据类型格式转换,导入到FLAC3D软件中,生成多网格高仿真复杂FLAC3D模型并进行力学模拟计算。这种方法使FLAC3D建模快捷化,并且建立的模型更符合实际形态,提高了数值模拟的准确度。该建模方法在古家台铁矿中得到应用,通过对真实的开挖过程进行力学数值模拟,得到了采场的应力、位移及塑性区分布规律。结果证明这种方法是可行的。     

基于FLAC3D的季节冻土路基冻融变形分析

为了研究季节冻土路基温度场及变形场的动态变化规律,利用FLAC3D软件及内嵌的FISH语言,编写了路基计算参数随温度变化的程序,对兰新二线典型冻土路基的冻融变形问题进行了更准确的模拟分析。通过建立路基计算模型,对路基温度场与实测资料进行了对比分析,验证了模拟方法的有效性与可靠性;通过模拟不同高度的路基在冬、夏季时的冻融变形情况,得出路基高度H是影响冻土地区路基热稳定性的重要因素。研究表明:路基高度H不同,路基上各点的冻融变形随时间的变化规律相同,而变形量均不相同;冻融引起的路基表面和内部沿深度方向各点的变形差别很大;最后通过比较得到既符合路基稳定性又符合工程经济性的最佳路基高度,对冻土路基的设计和施工有一定指导意义。     

基于FLAC2D的基坑全断面分析及预警方法研究

结合工程实例和实测资料,利用FLAC2D数值计算软件研究了全断面基坑分析方法。利用已建立的FLAC2D数值计算模型分析对比了不同土体参数的位移云图,并根据工程实测数据和影响参数分析结果,进行FLAC2D反演计算土体的等效弹性模量,利用数值反演计算所得的土体参数,对下一阶段基坑开挖的变形情况进行预警分析,预测结果表明基坑开挖导致的土体变形均满足规范要求,基坑变形处于安全状态。最后提出了以"FLAC2D数值建模、土体参数反演计算和基坑变形预警分析"为核心的FLAC2D全断面基坑分析方法。     

基于FLAC 3D数值模拟下软弱煤岩松动圈厚度分析

为分析各种因素对深部软弱煤岩松动圈厚度的影响程度,选用原岩应力、巷道断面尺寸两个因素进行数值模拟,分析不同条件下煤岩松动圈厚度变化范围。在理论上定性分析深部开采煤岩松动破碎变形影响因素基础上,以数值模拟为主,定性分析松动圈破碎范围。根据理论分析矩形巷道基本变形规律,确定巷道围岩破坏规律,对深部开采煤岩松动破碎变形理论定性分析。确定影响煤岩松动破碎变形的主要因素,选择合适数值计算模型。根据数值模拟结果,分析每个方向的粘结力变化的临界点,然后确定其点的坐标值以绘制每个正交实验的松动圈,找出巷道围岩断面最易发生变形失稳的关键部位,分析规律性的结论。确定了不同截面情况下松动圈随巷道埋深及断面尺寸的变化趋势和变化速率,分析得出规律性的结论。