热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

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。     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

基于渗透非线性的黏土岩热–水–力耦合效应研究

在多孔介质的热–水–力耦合分析中,孔隙率和孔隙水的黏滞性是影响渗透性的主要因素。通过研究孔隙率和孔隙水黏滞性的改变规律,在数值分析时,引入了孔隙率随应力改变和孔隙水黏滞性随温度改变的渗透非线性分析方法。同时研究了数值分析中温度荷载作用下应力边界条件和位移边界条件对温度应力的影响。研究结果表明:温度荷载作用下,数值分析时采用应力约束边界比位移约束边界更合理;考虑渗透非线性情况下得到的孔隙压力计算值与实测值更接近。     

温度–应力耦合作用下岩体裂隙扩展的数值流形方法研究

 数值流形法作为一种新型的数值计算方法已成功应用于诸多领域,但该方法在裂隙岩体多场耦合及其作用下裂隙扩展过程模拟分析上应用还较少。基于线弹性热力学理论,并考虑温度对材料影响,建立裂隙岩体温度–应力耦合控制方程。在此基础上,以温度和位移覆盖函数为基本求解量,以加权平均和算术平均思想为区域平均温度场求解算法,以修正的Mohr-Coulomb理论为岩石裂隙扩展准则,以物理覆盖为岩石破裂基本单元,提出模拟温度–应力耦合过程及其作用下岩体裂隙扩展过程的数值流形方法。该方法采用数学和物理2套覆盖,在裂隙扩展过程中不需要进行网格调整,能够有效地模拟裂隙岩体多场耦合及其作用下的裂隙扩展过程。通过编制相应MATLAB计算程序,对算例进行模拟,验证该方法的可行性和合理性。     

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。     

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。     

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。     

核废料处置概念库近场热-水-应力耦合二维有限元模拟

建立了分析饱和–非饱和介质中热–水–应力耦合现象的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵,并使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热–水–应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及水平方向正应力随时间的变化情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,看到二者的规律在定性上有某种一致性,但定量上仍存在一定差别,笔者试着分析了原因并得出了一定的认识。     

脆性岩石热–水–力耦合断裂的断口分析

 利用自行设计的热–水–力(THM)耦合断裂试验和扫描电镜试验,研究脆性岩石THM耦合断裂的宏微观特征;通过有限元法和新型应力强度因子比断裂准则,判断THM耦合断裂模式,揭示出THM耦合断裂机制。结果表明：红砂岩试件具有3种THM耦合宏观断裂轨迹和对应的3种THM耦合微观断裂特征,即低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹为横向断裂,微观上表现为穿晶的剪切断裂;高温、高水压、低围压条件下的断裂轨迹为纵向断裂,微观上表现为沿晶的拉伸断裂;中等温度、中等水压、中等围压条件的断裂轨迹为双向断裂,微观上表现为含沿晶和穿晶的拉剪复合型断裂。基于有限元法和新型最大应力强度因子比断裂准则判断出的红砂岩试件THM耦合断裂模式与基于宏微观断口分析得到的THM耦合断裂机制完全一致。     

一种模拟热-水-应力耦合作用的节理单元及数值分析

对于具有相同厚度的4 节点等参数节理单元,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,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,使之可用于分析岩体饱和不连续面中热-水-应力耦合弹性问题,并将这一单元模型加入到相应的二维有限元程序中。通过假定的有、无节理的稳态渗流算例和核废料地下处置算例,表现了由于不连续面的存在,使得岩体中不连续面两侧的位移、水头不再连续,而温度场虽然连续但与无不连续面时相比仍有一定差别。     

岩体内共线张开型节理受压剪荷载的弹塑性分析

将岩体内共线多节理受压剪荷地匠问题简化为有限宽岩体摧的单节理受压剪荷载的问题，运用弹塑性断裂力学的线场分析方法将描述岩体材料破坏性性的摩尔－库仑准则列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中对节理裂隙在压剪荷载下进行求解。     

应力对裂隙岩体等效渗透系数影响的离散元分析

 基于现场调查的裂隙网络信息及裂隙网络模拟技术--Monte-Carlo法,采用UDEC中的Fish语言编制裂隙岩体计算模型生成程序DFN-GEN。此程序解决由于裂隙繁多而引起的网格离散困难的问题,可生成大量随机节理,直接进行网络离散,生成裂隙岩体计算模型(DFN),最终用于水力耦合数值计算。结合DECOVALEX国际合作项目TASK C子课题,利用DFN-GEN程序生成裂隙岩体计算模型,研究裂隙岩体水力学特性,探讨应力对裂隙岩体等效渗透系数的影响规律,为研究核废料处置库、坝基、边坡等裂隙岩体工程实践提供方法。     

节理研究进展及在非贯通节理岩体研究的应用

节理的表面形貌可按其规模大小分为起伏度和粗糙度两类.节理面的几何和力学特性对非贯通节理岩体扩展贯通有重要影响.典型节理面的粗糙形貌可以模拟为一系列非规则的、齿形凸台形貌.综述了贯通节理破坏理论新的进展,并探讨了节理破坏理论的适用性.结合非贯通节理岩体研究的现状,提出了考虑节理的粗糙度和起伏度情况下研究非贯通节理岩体扩展贯通强度和变形特性的新思路.     

黄土节理二维稳态流流量方程

黄土节理渗流属于沿节理方向入渗和垂直于节理方向往黄土体入渗的二维渗流问题，对此问题目前尚少有研究。考虑节理内流体向土体的入渗及土体自身流速的影响，建立了黄土节理二维渗流模型，采用欧拉变数法推导了流体元运动微分方程，得到了以流速为函数的渗流微分方程。进而基于黄土节理渗流特征及边界条件，推导得到黄土节理二维稳态流的流量方程，表明岩体节理立方定律可归结为此方程在特定条件下的简化形式。进一步结合达西定律推导得到黄土节理渗透系数的表达式。通过现场试验和数值分析所反应出的趋势说明该公式有一定的应用价值。     

压剪应力作用下断续节理岩体的破坏分析

节理岩体的力学特性主要受控于节理，节理间的相互作用及其贯通是岩体工程的重要问题。利用Dugdalc-Barcnblatt模型揭示了多节理贯通力学机理——主要受外部荷载、节理间的相互作用二因素的影响。利用裂纹尖端的应力强度因子、损伤局部化区的长度确定了节理扩展和贯通的力学条件。通过实验验证了模型的正确性和可行性。其结论对岩体工程的稳定性分析具有重要理论和现实意义。     

某车站雨棚铸钢节点有限元分析

铸钢节点作为一种新型的节点形式目前已经广泛应用于大跨空间结构中,利用ABAQUS分析软件,对某车站雨棚铸钢节点进行有限元分析,模拟出该节点的实际工作状况,得到节点在设计荷载作用下的应力大小及其分布规律。分析结果表明:本工程铸钢节点在设计荷载作用下处于弹性状态,可以满足设计要求。同时也为铸钢节点的进一步研究和分析提供依据。     

A numerical model for analysis of riveted splice joints accounting for secondary bending and plates/rivet interaction

The paper presents a numerical procedure for the analysis of riveted splice joints, taking into account the effect of the secondary out-of-plane bending and plates/rivet interaction. The joint is idealized by two separate layers that are linked by beam connectors with variable circular cross-sections, in order to account for the countersunk effect of the rivet heads. Rotational spring elements are used to partially restrain the rivet heads in the x–y plane. Gap elements are used to simulate the in-plane load transfer between the rivets and spliced plates. The efficiency of the method is illustrated by analyzing three models of splice joints. It is shown that the secondary bending largely affects the maximum tensile and compressive stresses within the joint. The difference may reach up to 39%. Finally, experimental comparison is made with photo-elastic test results for a spliced specimen with eighteen rivets. The predicted maximum shear strains along several lines within the splice region, for both cases, are found to be in reasonable agreement. Factors affected the experimental and the finite element results are also discussed.     

甘肃北山芨芨采石场岩体节理特征研究

 芨芨采石场是我国高放废物处置库甘肃北山预选区有利候选地段之一。采用综合节理测量法在芨芨采石场进行详细的节理调查，共获得13 012条节理数据。根据芨芨采石场内的断层将该区域初步划分为3个岩体结构均质区和2个断层影响区。基于圆形窗口法原理编制计算程序，分析断层两侧节理的平均迹长和迹线中点面密度的变化，确定断层对节理分布的影响范围，准确划分岩体结构均质区的大小，并得出各均质区节理的平均迹长和迹线中点面密度；采用节理玫瑰花图和节理极点图法，得出各均质区节理的优势组，对各优势组的产状进行统计分析。芨芨采石场的岩体节理以陡倾角的剪节理为主，节理倾向和倾角符合正态分布；统计分析各优势组的节理间距，得出各优势组节理间距符合负指数分布。按照ISRM提出的《岩体不连续面定量描述的建议方法》(1978)，采石场各结构均质区的节理间距都属于宽间距，表明岩体完整性较好。本次研究得到芨芨采石场岩体节理基本特征的定量化参数，为岩体力学和渗流特性的深入研究提供必要的数据。     

开采沉陷中的岩体节理效应

根据节理受剪破坏和受拉破坏的特点，结合断裂力学，推出了节理岩体的损伤张量，编制了节理损伤有限元程序ＴＷＯＤ，进行了开采沉陷的计算机模拟计算，表明岩体中节理的存在使地表移动量增大，且下沉、水平移动曲线不对称。基于模拟数据，给出了下沉系数及水平移动系数与节理迹长、倾角、密度之间的关系式，为实际应用中考虑节理的影响提供了实用程序和方法。