垂直节理对黄土渗透性的影响研究

通过室内模型试验,研究了饱和入渗条件下黄土垂直节理对土体渗透性的影响。在实验室自制试验装置,将重塑土击实后人工切割垂直节理。在土样表面均匀喷水,使水分在土样表面饱和的状态下入渗,分析节理开度对黄土中水分入渗的影响规律。试验表明:闭合节理对土体的渗透性影响很小,实际中可以不予考虑;随着节理开度的增大,节理对土体渗透性的影响逐渐趋于明显,节理成为优势渗流面。将黄土中的节理抽象为两平行板间的缝隙,节理内水的流动满足N-S方程。考虑黄土渗流的实际特点确定了边界条件,通过推导建立了黄土节理渗透系数的表达式,分析了黄土节理渗透系数随土体体积含水量变化的特点。在数值计算中,采用四边形等参元离散土体。在离散体表面规定水头边界,对节理场地的水分场变化进行了分析。分析结果与试验对比,说明该表达式可以反映黄土节理渗流的实际特点。     

黄土非饱和入渗规律原位试验研究

土体中的水呈饱和状态渗流时,其渗流状态比较简单;但若呈非饱和状态渗流时,其流速、流向随时间和空间在土体中的状态却比较复杂。而这些正是进行湿陷性黄土增湿、减湿沉降计算时需要知道的问题。通过黄土非饱和入渗规律原位试验对其进行了探讨,结果表明:在非饱和入渗时段内,土体各深度上饱和度随时间的变化呈近似线性关系,浅层土非饱和入渗时间随土深度的变化短期内也呈近似线性关系;黄土的浸润角略大于 30°。     

弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型

将渗流力学、岩石力学、流体力学知识相结合,建立了弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型,并进行了实例计算。油藏渗流模型主要基于达西定律,并且考虑了储层的可压缩性。将大孔道中的油藏流体与砂粒看作单分散的、稀释的悬浮液。考虑砂粒在大孔道中的沉降及液固两相流之间的相互作用,基于Navier-Stokes方程推导了油藏流体-砂粒两相运动的控制方程。其中,出砂流速门槛值和砂粒剥落本构方程通过实验方法确定,油藏流体渗流与大孔道管流之间通过压力和流量关系进行耦合。最后,通过计算研究了矩形区域内-注-采情况下大孔道的延伸情况,得到了开发过程中流场压力分布图和累计出砂量变化曲线,分析了油藏流体粘度、注采速度对出砂的影响。     

降雨入渗条件下裂隙发育的黄土边坡稳定性分析研究

在持续降雨的条件下,雨水在黄土边坡上沿垂直裂隙方向入渗,并产生渗流力。结合黄土边坡裂隙法和非饱和土渗流理论,建立边坡破坏模型,推导出裂隙发育的黄土边坡在渗流力作用下的稳定性系数计算公式。结合具体的工程实例,分析讨论垂直裂隙深度和渗流力对黄土边坡稳定性的影响。结果表明:黄土边坡稳定性随垂直裂隙深度增加而降低;考虑渗流力时的黄土边坡安全系数比不考虑渗流力时的安全系数明显降低,且随着入渗深度的增加,边坡安全系数降低得越多;随着裂隙深度的增加,渗流力对边坡稳定性的影响逐渐减小,且入渗深度越大时,减小得越明显。     

考虑任意初始条件的均质土质覆盖层降雨入渗解析解

均质土质覆盖层作为填埋场与大气环境的隔离结构其主要功能是控制雨水入渗,近些年该类覆盖层在北美一些干旱和半干旱地区被证明是有效的。基于二维非饱和土渗流控制方程,采用可考虑土体进气值的指数函数描述土体的土水特征曲线和渗透系数曲线,使用单位梯度边界作为土质覆盖层的底部边界条件,推导出可考虑任意初始条件的降雨入渗移解析解。通过与前人试验结果比较与分析,证明了该解析解的有效性。对比分析了均质土质覆盖层底部分别取单位梯度边界、渗流审查边界和固定孔压边界对降雨入渗及渗漏量的影响,分析结果表明:与渗流审查边界和固定孔压边界相比,单位梯度边界更适合土质覆盖层的渗漏量计算。利用该解析解分析不同初始条件对累计渗漏量的影响,结果表明覆盖层累计渗漏量随其底部初始体积含水率的增加而增大。为土质覆盖层防渗漏性能评价提供了一种简单实用的计算方法。     

二维槽流中矩形板的稳定性分析

研究了二维槽流中矩形板的稳定性问题，采用了伽辽金法解板的运动微分方程，利用傅立叶变换从流体势函数方程得到了扰动压力，采用奇异积分方程法处理流固耦合边界，得出板在不同边界约束下的失稳方式。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

三维交叉裂隙渗流特性的实验和数值模拟研究

定量描述交叉裂隙的渗流特性是明确整个裂隙网络渗流特性的基础。制作三维人工交叉裂隙模型,建立高精度渗流测试系统;求解Navier-Stokes方程,模拟流体在三维交叉裂隙内的流动状态,对裂隙宽度的取值标准进行探讨。结果表明,室内实验得到的流速Q和压力P具有二次项关系,可以用Forchheimer方程描述;通过理论推导和数值模拟计算得到的单裂隙段的Re和实验结果基本吻合,验证了实验结果的正确性及数值模拟的可靠性;根据研究,交叉裂隙的宽度应大于最大裂隙开度的8倍,流体的流动状态由线性转入非线性的临界Re的范围为12.33~61.67。     

黄土节理表面形态及其分级研究

黄土节理在黄土地区广泛分布,节理表面形态对其强度及渗流等特性有重要影响。在大量野外调研的基础上,选取合适场地采集了典型天然黄土节理试样,利用轮廓曲线仪测量节理表面形态,绘制了节理面二维及三维轮廓曲线。然后运用统计学方法计算了节理表面特征参数,研究表明,节理表面的全坐标高度分布为高斯分布或准高斯分布。通过选取高度均方根z₁、峰点密度η、坡度均方根z₂三个参数,根据数据统计结果确定单因素分级范围,进而利用模糊数学方法综合评价节理表面形态,最终得到了所取天然黄土节理试样表面形态的综合特征参数R_j及分级结果。研究发现,对于同一场地,R_j值较为接近,表明同场地的节理表面形态具有相似性;经验证,特征参数R_j与黄土节理剪切强度具有较好的相关性,表明了分级的合理性。     

考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

Numerical study of flow anisotropy within a single natural rock joint

The paper investigates the flow anisotropy within a natural joint subjected to mechanical shear. The cubic law is the simplest way to describe fluid flow through rock joints but because of rock wall roughness, deviations from this model have been observed. The Reynolds equation usually gives better results. In this study, micro-scale roughness is taken into account to define a reduced coefficient of permeability. Numerical simulations have been carried out by applying Darcy's law to the rock joint, described as an equivalent porous medium. The numerical simulations are based on experimental data obtained by Hans (PhD, Grenoble, 2002) from a series of hydromechanical shear tests on a rock joint replica. The numerical results have been compared to the experimental ones, and to the results obtained by applying the Reynolds equation, to assess the relevance of the simulations. For the fracture studied, the approach proposed herein can reproduce relatively well the experimental flow anisotropy, and provides consistent values of flow rates, whereas the Reynolds equation tends to give higher flow rates.     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

模拟热–水–应力耦合作用的三维节理单元及其数值分析

对于具有相同厚度的空间8节点等参数节理单元,考虑温度和孔隙水压力的影响,将其的应力–位移关系加以拓展,建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程,使之可用于分析饱和–非饱和岩体中存在不连续面时的热–水–应力耦合问题,并结合实体单元,研制出相应的三维有限元程序。针对一个假定的核废物地质处置模型,通过有、无节理的热–水–应力耦合过程数值分析,显示与无节理的情况相比,由于节理的存在使得近场岩体中的温度、应力及水流速度的分布与数值都发生了明显的变化,特别是节理附近的岩体中有某种水流"冷却"作用和一定程度的应力集中现象,其它部位岩体的应力也有所增加。     

黄土增湿变形的数值模型

以甘肃陇西自重湿陷性黄土作为研究对象,基于黄土湿陷过程中变形与渗流耦合的思想,建立了黄土增湿变形的数值模型。依据质量守恒定律和达西定律,建立了考虑变形影响的适合非饱和土-饱和土的、非稳态的轴对称黄土渗流连续性基本方程。参考陇西自重湿陷性黄土室内侧限压缩试验数据建立了黄土增湿变形本构模型;采用Galerkin加权残值法对基本方程进行空间离散;在时间域内用差分方法离散,建立了考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元支配方程,并提出了求解方法。研究结果表明:在研究黄土增湿变形过程中,考虑变形与渗流耦合的作用是可行的,建立的黄土增湿变形有限元模型是合理的。     

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

 为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明：节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。     

方钢管焊接空心球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”采用了一种新型的多面体空间刚架结构,杆件形式包括圆钢管、方钢管和矩形钢管,节点则主要采用焊接空心球节点。本文系统研究在轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力。建立了采用理想弹塑性应力-应变关系、Mises屈服准则,同时考虑几何非线性的有限元分析模型,并对承受轴力、弯矩及两者共同作用的方钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接球节点,其轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数(包括空心球的球径、壁厚及钢管边长)无关。对若干典型节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的正确性。还推导了基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。最后,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果,建立了轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接球节点承载力的实用计算公式,其中,对轴力和弯矩共同作     

Estimation of fracture flow considering the inhomogeneous structure of single rock fractures

Considering the safe, long-term isolation of energy byproducts, such as radioactive waste, one of the important parameters is the velocity of the groundwater flow through the void of rock masses and/or fractures. Although it is generally known that a natural rock fracture indicates a complex aperture distribution, the fracture is often ideally represented by a parallel plate model. The cubic law is applied to evaluate the hydraulic properties of fractured rock. From several previous research works, it is understood that the cubic law can be applied when the Reynolds number is less than 1.0 and that the inertia term can basically be ignored in such slow fracture flows. In this research work, two-dimensional seepage flow analyses, using the authors' proposed 2D model, in which the inertia term, the pressure term and the diffusion term are incorporated, are carried out for single fracture permeability tests under conditions which allow for the application of the cubic law. In comparing the results of the experiments with the results of the numerical simulation, the results of the simulation employing the 2D model show a good agreement with the experimental results; the 2D model can simulate the water flow in an inhomogeneous fracture more accurately than the simulation based on the local cubic law. From these simulation results, the fracture flow in an inhomogeneous structure is discussed, along with the local Reynolds number, and the resistance through the fracture geometry is considered. Consequently, under the condition of a mean Reynolds number of less than 1.0, the inertia terms do not affect the fracture flow, but the hydraulic resistance does affect the fracture flow.     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

原状黄土人工节理抗剪强度特性试验研究

应用直剪仪对原状黄土人工节理的抗剪强度进行试验研究,试验结果表明:原状黄土的节理形态特征对节理内聚力影响较大,而对节理内摩擦角影响较小;干密度对原状黄土节理内聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;黄土节理内摩擦角随含水量变化呈二次曲线规律变化,当大于界限含水量时,内摩擦角随含水量减小而增大;当小于界限含水量时,内摩擦角随含水量减小而减小;对于表面平整节理,内聚力随含水量变化而呈二次曲线规律变化,对于表面粗糙节理,内聚力随含水量变化呈指数规律变化。     

黄土节理结构对强度作用的试验研究

针对黄土节理对其拉压强度和破坏形式的影响,采用两种材料模拟节理面,通过液压重塑法分别制作含水平向或竖向节理的黄土试样,开展无侧限抗压强度试验和轴向劈裂抗拉强度试验,分析含水率与节理方向对拉压强度的影响,建立节理性黄土拉压强度关系。结果表明,节理性对较低含水率的黄土的拉压强度与破坏形式有更强的控制作用,含水率升高后节理性的控制作用明显降低;节理性黄土的抗压强度与抗拉强度存在良好对应关系,抗拉强度不可忽略;典型抗压破坏形式可归纳为竖撇型与压碎式两类。