渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

裂隙岩体温度场数值流形方法初步研究

基于三角形有限覆盖数值流形理论,提出了裂隙岩体二维不稳定温度场求解的数值流形方法(NMM),并推导了第一类温度边界条件处理的罚方法,给出了计算格式。数值流形方法采用两套覆盖,其中数学覆盖独立于求解区域,生成数学覆盖时不用考虑裂隙数量、位置和方向,避免了常规方法处理裂隙处网格划分的不便。对于裂隙岩体,裂隙两侧对应不同流形单元,可以实现温度的不连续模拟。裂隙作为内部流形单元或外部边界条件叠加进入到温度场的总体求解矩阵中,实现了裂隙岩体温度场的数值流形求解。该方法具有较高精度,且能求解任意多条裂隙的岩体温度场问题。最后对部分文献算例进行计算,结果具有较好的一致性。     

一种岩体裂隙时效扩展的数值模拟方法及验证

 鉴于岩体中存在大量的微缺陷,假定数值模型中每个单元均含有一条长度和倾角具有正态分布的无厚度虚拟微裂纹。通过断裂力学理论及裂隙扩展模式,判定这些微裂纹的扩展速率及模式,当微裂扩展至单元边界,则此单元破坏。这些破坏的单元相互搭接连通,则形成宏观破裂面。以改进的Burgers模型为例,将上述方法嵌入FLAC数值软件,对完整岩石、单裂隙岩体及双裂隙岩体进行单轴压缩和双轴压缩蠕变数值试验。将数值模拟结果与试验结果对比,验证所提出的岩体裂隙时效扩展数值模拟方法的有效性。     

三轴压应力–化学溶液渗透作用下单裂隙花岗岩裂隙开度演化

 为研究单裂隙花岗岩在应力–化学溶液渗透条件下的开度演化规律,开展单裂隙花岗岩在恒定三轴压应力及化学溶液渗透作用下的试验。对试验过程中渗透溶液离子浓度进行分析,结果表明,压应力作用下,裂隙接触面矿物溶解、自由面矿物溶解以及矿物沉淀3个过程影响裂隙开度的演化规律。通过裂隙面三维扫描数据获取裂隙开度变化与接触面积率的关系,并基于此在已有研究基础上分别建立酸性溶液和碱性溶液渗透作用下花岗岩裂隙开度演化模型。模拟结果表明,模型计算结果与试验结果符合较好,能够很好地描述裂隙在化学溶液渗透和应力作用下的演化规律;酸性溶液渗透作用下,接触面矿物溶解过程的强弱控制着裂隙开度的演化,而碱性溶液渗透作用下,矿物的沉淀过程也发挥着重要作用。     

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-应力-温度耦合作用研究

基于对深层地下水资源的开采利用和对岩体工程中易发生的地质灾害预测防范研究的目的，提出了开展裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究设想。为环境工程学科中防灾减灾工作及水资源合理利用提供了一个新的研究方法。     

流形元方法尖模拟裂纹扩展中的应用

介绍了数值流形方法的基本原理及其在模拟裂纹扩展中的实现过程，并就两上算例进行了分析，结果表明流形元方法的有效性。     

垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究

 针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求,结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件,从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型,为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术,开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术,研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题,提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持,同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

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。     

考虑岩桥断裂的岩质边坡倾倒破坏的流形元模拟

通过加入多裂隙扩展的跟踪模拟功能,将石根华博士提出的数值流形法进行扩充,使之既可以模拟块体系统的离散特性,又可以模拟完整岩体的拉裂与剪断。在用几个典型的简单算例验证算法及程序的收敛性和精度的基础上,对龙滩水电站左岸高边坡倾倒破坏离心机实验模型进行数值模拟,模拟中考虑1组贯通的陡倾角逆坡向构造和1组缓倾角顺坡向非贯通裂隙,模拟间断裂隙在外荷载作用下的扩展和岩柱的断裂。数值模拟的承载力和破坏模式均与实验结果吻合良好,可再现该类边坡倾倒破坏的机制,表明该方法与程序可以有效地模拟考虑岩桥作用的岩质边坡的倾倒破坏。     

流形元方法在模拟裂纹扩展中的应用

介绍了数值流形方法的基本原理及其在模拟裂纹扩展中的实现过程，并就两个算例进行了分析，结果表明流形元方法的有效性。     

加锚岩体变形分析的数值流形方法

基于对锚固机理的认识，研究了数值流形方法中锚杆支护的模拟方法，并给出了算例。计算表明，文中对锚杆的模拟方法是有效的。     

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。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

岩石大变形分析的流形方法

利用流形方法研究岩石的大变形问题，建立大变形分析流形方法的计算公式，完成了计算机程序，模拟了具有节理、裂隙的简单边坡工程的稳定性。计算表明，该法在岩石大变形分析中是有效的。     

层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析

对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究,同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性,导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性,如I型及I-II复合型裂纹的剪切起裂扩展,锯齿状的裂纹扩展路径等等。此外,通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。由计算所得的KI和KII数值解,得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。通过试验及理论探讨,为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础,所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。     

裂纹扩展分析的无网格流形方法

运用无网格流形方法求解裂纹扩展问题。该方法利用单位分解法和有限覆盖技术建立形函数。形函数的建立不受域内不连续面的影响,可较好地求解裂纹问题。尤其当这种不连续面变得复杂时,更能显示该方法的优点。对于应变局部化问题,该方法的形函数构造较其他方法更为有效,避免了其他方法在建立试函数时不能考虑不连续尖端的缺点。与传统的数值流形方法相比,无网格流形方法的有限覆盖形状更加灵活。它可以用一系列节点的影响域来建立有限覆盖和单位分解函数,具有无网格方法的特性,从而摆脱了传统数值流形方法中网格所带来的困难。与目前的无网格方法相比,由于采用了有限覆盖技术,试函数的构造不受域内不连续面的影响,克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难。在求解裂纹扩展问题时,弹性力学基本方程的弱形式采用加权残数法获得。最后利用无网格流形方法追踪岩体试件在复杂应力状态下裂纹扩展过程。在此给出了数值算例,并将计算结果与实验结果进行对比,说明该方法的正确性和可行性。     

锚固岩体的三维数值流形方法模拟

提出了三维数值流形方法中锚杆的计算模型，并给出了相应的算法和公式。算例表明，该模型能较好地反映加铺岩体的变形行为以及锚杆的加固效果。     

节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用

 通过改进原有的FLAC3D本构关系为弹脆性本构,并采用超细单元划分法,模拟和研究双裂隙岩石试件在单轴、双轴加载作用下的破坏过程。数值计算结果与前人试验所得到的相应结果具有良好的一致性。用此方法还模拟了4条2组不同倾向裂隙的破裂过程和椭圆形三维单裂隙的扩展过程,且三维数值模拟结果与前人试验也有很好一致性。最后,将该模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,取得较好效果。