基于粗糙岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型

为了研究粗糙岩体裂隙渗流–溶解耦合作用机制,根据分段线性法构建粗糙裂隙面,并采用分形维数对其粗糙程度进行表征。基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别模拟速度场和浓度场的演化过程,假定裂隙表面处的溶解作用满足一阶动力学反应模型,建立基于岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型,并结合2个经典算例验证其有效性。最后,讨论分形维数、Pe数和Da数等因素对粗糙裂隙渗流–溶解耦合作用机制的影响。研究表明:裂隙壁面的分形维数越大,溶质的运移速度越缓,导致壁面处的溶解速率越慢。在裂隙壁面凸起位置优先发生溶解,使得壁面逐渐趋于光滑。当Pe数较大时,裂隙渗流流速相对较大,从而加速了溶质的运移以及壁面处的溶解反应,导致壁面几何形貌扁平化,提高了裂隙的渗透特性。裂隙的Da数越大,其在入口处的溶解速率越快,从而导致孔隙率相同时裂隙末端聚集的未溶解部分越多,进而影响裂隙的渗透性。     

岩体裂隙面粗糙度对其渗流特性的影响研究

为了研究岩体裂隙面的粗糙程度与渗流机制间的相互关系,将裂隙沿长度方向均匀分割成若干段,通过设置每一段末端的随机高度,生成两侧对称的粗糙裂隙面。基于格子Boltzmann方法,采用不可压缩流体的D2G9模型,验证了经典的Poiseuille流,计算了不同相对粗糙度岩体裂隙的渗流特性,讨论了裂隙面粗糙度对渗流流态的影响。研究结果表明:裂隙结构壁面对流体的阻碍作用,使得流体在壁面附近的流动产生急剧调整,同时随着裂隙相对粗糙度的增加,在裂隙隙宽急剧变化的部位,局部伴随着旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力作用增大。在单位时间截面渗流流量及每一段平均隙宽相等的条件下,将本数值解与多平行板理论解进行了对比,对于相对粗糙度δ=0.01674的裂隙方案,由于多平行板理论解忽略了粗糙裂隙隙宽变化而引起的局部压降,其裂隙中线处压降产生的最大误差达到15.2%。当相对粗糙度较小时,裂隙中线处的压力与光滑平板流相类似,近似呈线性变化。随着裂隙相对粗糙度增大,压力变化偏离直线方向,且在断面由窄突然变宽的部位,压力变化偏离线性尤为显著。     

基于逆向工程和数值模拟的裂隙渗流特性分析

基于逆向工程技术的数字化建模方法,通过精细化扫描和数字图像技术对研究对象进行逆向建模,拓取粗糙裂隙表面空间形态,分析粗糙裂隙面三维坐标数据,建立粗糙裂隙试件三维空间模型,实现整个过程的全数字化处理及实体—三维数据—三维模型的转换过程。基于裂隙细观结构渗流过程,对获得的三维裂隙进行渗流数值模拟,开展三维裂隙渗流特性分析,研究粗糙度、开度等因素对于三维粗糙裂隙的渗流特性影响。研究结果显示:在相同开度条件下,裂隙粗糙程度越大,裂隙内平均流速越低,出口处平均流速及渗流量越小;当其它工况条件相同时,渗流的方向对于渗透特性有一定影响。     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。     

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的＂充填介质＂,采用＂充填模型＂将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为：法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性：局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。     

粗糙裂隙气驱液特性研究

裂隙岩体气液渗流会导致岩体失稳形成灾害,也会促进地下水、油、气运移。文章采用激光扫描获取天然粗糙裂隙面三维数据,使用3D打印技术生成可视化裂隙模型,基于高速相机获得气驱液过程瞬态影响数据,研究粗糙裂隙气驱液受流量、液体物性与裂隙面展布方向的影响特征。结果表明,气体流量显著影响气液驱替时间,流量越大驱替完成越快。液体物性不同,驱替效果差别不显著。裂隙倾角对驱替行为影响显著,低角度下驱替效果较好。此结果可为裂隙气液两相流研究提供实验基础。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

风管出口位置对隧道施工通风效果影响的研究

为研究风管出口位置对公路隧道施工通风效果的影响,利用流体力学软件Fluent,建立隧道三维模型并进行了数值模拟。通过分别对风管管口与工作面5种布设距离及4种布设形式下流场特性的对比,分析了管口与工作面距离及风管附壁程度对流速变化和有效射程的影响。并进一步探讨了风管出口不同位置对局部风阻压力的影响。模拟结果表明:在相同的入口速度条件下,风管附壁程度越高、距离工作面越近,射流速度变化梯度越大,通风效果越明显;风管管口离工作面越近引起的局部压力损失越大。     

基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟

岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。     

考虑裂隙面粗糙度和开度分形维数的岩石裂隙渗流特性研究

岩石裂隙的粗糙度表征及其渗流特征的描述一直是岩石力学和工程地质领域的难点和热点问题。基于分形理论和流体力学基本原理,首先量化裂隙面的不规则粗糙元素,建立相对粗糙度与分形维数以及裂隙微观结构参数之间的定量关系。然后将粗糙度对渗流的影响转化为裂隙等效开度对流动特性的影响,结合裂隙开度与裂隙长度之间遵循的幂律关系,建立粗糙裂隙的渗透率计算模型。最后研究分形维数和裂隙的几何特征对渗流特性的影响,并使用相关试验数据验证模型的合理性。研究结果表明：裂隙粗糙度对渗流的影响不可忽视,渗透率与裂隙最大开度之间呈平方关系,裂隙开度和粗糙元素几何特征是影响渗流性能的关键因素。建立的渗透率模型不含任何经验常数,避免数据处理的繁琐过程,具有良好的适用性。     

不同节理形貌的非贯通节理岩体模型试验研究

通过直剪模型试验,研究节理形貌对非贯通节理岩体的抗剪强度、变形和贯通模式的影响。在相同法向应力下,节理起伏度越大,非贯通节理岩体的抗剪强度越大。在相同法向应力下,非贯通节理岩体的法向变形越大,但是,节理起伏度越大,峰值剪切位移越小。在较高法向应力下,节理起伏度对贯通模式影响较大,节理起伏度大的非贯通节理岩体的贯通模式为剪切模式TTS,节理起伏度小的贯通节理岩体的贯通模式为张拉模式TTT。在低法向应力下,起伏度对贯通破坏模式影响小,非贯通节理岩体贯通模式都为张拉模式TTT。     

基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体,确定其空间几何形态和几何参数,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

含密实原岩充填物的宜昌砂岩裂隙渗流试验研究

 鉴于有无填充物条件下岩体裂隙渗流规律巨大差异,以及工程岩体中大量渗流裂隙为原岩破碎物填充的剪切滑移裂隙,研究加载路径、轴压、围压、裂隙深度、原岩充填物粒径等因素对渗流量的影响对岩质边坡渗流参数的选取及稳定性判别。针对带人工切割裂纹的宜昌地区砂岩裂隙渗流开展试验研究,得到如下结论：(1) 填充砂粒在没有冲紧密实之前,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响,其渗流量测量数据是没有可重复性的。经过4次以上围压轴压加卸循环后,渗流数据趋于稳定,具有可重复性。(2) 裂隙深度小于2.5 cm时,含密实充填物的裂隙渗流量与轴压的关系大致呈线性;裂隙深度达到2.5 cm后,两者为非线性关系,这主要是裂隙深度增大导致砂粒位置和结构的改变可能性增大造成。(3) 对有充填裂隙岩体,围压影响显著,而对开度较大的无充填的裂隙,围压对渗流量的影响极小,这是因为围压造成的岩体形变量对于开度较大的裂隙过水断面而言量级过小造成。(4) 轴压小于0.03 MPa或围压小于1 MPa时,填充物粒度对渗流量影响呈无序性;轴压大于0.03 MPa且围压大于1 MPa时,砂粒度越大,对应的渗流量就越大,此时,轴压越大,填充物粒度对渗流量的影响越显著,随着围压的增长,3种不同粒度对应的流量保持的大小关系和相互比例趋于稳定。     

冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

 寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明：(1) 冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为：断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2) 随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3) 冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4) 裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5) 冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。     

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品，结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置，实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验，研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数，其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂，从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型，通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟，验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。     

结构面轮廓不等间距采样、向量表征与粗糙度

结构面表面的起伏、粗糙等形貌特征是影响岩体力学参数的重要因素。现有的结构面轮廓粗糙度参数统计方法多采取等间距采样方式,获得的采样点与表征结构面轮廓起伏的转折点存在偏差。结构面量测通常多采用摄像和数字图像处理技术,而像素点是构成图像的最小单位,据此提出以描述结构面轮廓点集为基础的不等间距采样方式,然后对所有相邻采样点进行向量表征,随后提出结构面轮廓一阶导数均方根Z2新的计算公式。得到如下结论:(1)不等间距采样方式的采样点位于结构面起伏发生变化的转折点,与原始轮廓的契合度高;(2)基于向量表征的结构面轮廓,可量化计算其粗糙度参数的偏差;(3)不等间距采样方式和向量表征将使粗糙度求解过程更加精确和快捷。     

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.     

基于3D打印技术的裂隙岩体单轴压缩特性试验初探

岩体内结构面空间几何分布复杂,无法大量制作裂隙岩体试样一直是困扰岩体力学试验深入研究的难题之一。介绍一种采用3D打印技术制备不同几何形态裂隙网络模型的方法,并针对不同样本尺寸的粗糙型裂隙岩体RDFN模型、直线型DFN模型和实心模式分别开展单轴压缩室内试验,结果表明:采用3D打印技术可以实现复杂裂隙网络模型的制备,能够为室内试验复杂裂隙样本的重复制作和试验对比分析提供有效的途径,相似裂隙岩体模型可以有效地分析内部裂隙网络对岩体结构力学特性的影响规律,研究发现,含有预置裂隙的岩体单轴压缩条件下的弹性模量、单轴抗压强度显著低于实心岩石模型,随着岩体模型尺寸的增加,单轴压缩力学特性呈现显著的变化,且RDFN模型开裂模式与DFN模型存在显著差异;考虑裂隙粗糙性的RDFN模型的弹性模量、单轴抗压强度较高于直线型DFN模型,若不考虑节理粗糙性将低估裂隙岩体的抗压力学特性。     

露天矿含后缘裂隙岩质边坡岩体卸荷断裂机理与稳定性研究

基于边坡实际结构特征，利用断裂力学理论，推导了卸荷作用下后缘裂隙尖端的应力强度因子和临界失稳高度计算公式，考虑分支裂隙扩展长度，构建了边坡岩体裂隙扩展贯通力学模型，提出了边坡稳定性系数计算方法，并通过工程实例来验证。结果表明：(1)卸荷作用越强，后缘裂隙尖端复合应力强度因子越大，边坡的稳定性越差。(2)后缘裂隙倾角越大，临界扩展高度越小，起裂角越大，裂隙越来越趋向于边坡坡面扩展；平均高度越大，临界扩展高度越小，起裂角越大，裂隙越来越偏离边坡坡面扩展；裂隙长度对临界扩展高度和起裂角没有影响。(3)边坡安全系数随后缘裂隙倾角、平均高度和断裂韧度的增加而增大，随裂隙长度、下部裂隙角度和卸荷拉应力的增加而减小。研究成果可为认识和治理卸荷诱发含后缘裂隙岩质边坡崩塌滑坡灾害提供一定理论参考。     

基于Taylor展开随机有限元法的裂隙岩体随机渗流分析

基于等效连续介质模型 ,应用Taylor展开法分析裂隙岩体渗透性的随机性与裂隙基本几何参数随机性的关系 ,然后用一阶Taylor展开随机有限元法分析裂隙岩体渗流场的随机性。数值分析表明 :隙宽的随机性对渗流场的影响最大 ,裂隙的迹长次之 ,间距的影响最小。