裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究

首先研究裂隙岩体中应力场改变对地下水渗流场的影响作用机理,推导出渗透系数k和给水度μ受应力影响的表达式,进而分析渗流场的变化,地下水的作用引起应力场环境变迁,导致裂隙岩体的渗透变形,在此基础上建立了裂隙岩体中应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具"点荷载"特征的等效连续介质耦合数学模型,并应用于一隧道工程实例进行了计算.     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

裂隙岩体渗流的优势水力路径

优势水力路径是裂隙岩体中的主要渗透通道,是岩土工程中必须考虑和解决的问题。通过分析裂隙岩体渗流优势水力路径的形成机理及编制相应的分析程序,研究优势水力路径的主要表现形式及其应力相关性。研究表明,裂隙岩体中的优势水力路径客观存在于由连通裂隙簇、优势节理裂隙组、主干裂隙等形成的水力连通裂隙网络中,其分布与优势裂隙组和长大裂隙的分布及应力环境极其相关。通过分析裂隙岩体的优势水力路径,确定裂隙岩体中地下水的潜在渗透通道和分布状态,为边坡工程、地下工程等岩土工程的设计施工提供参考依据。     

裂隙岩体水力劈裂的颗粒离散元数值模拟

利用颗粒离散元软件PFC2D从细观角度初步模拟裂隙岩体水力劈裂的发展过程,并分析影响水力劈裂的部分因素。研究结果表明,以初始裂缝尖端处的接触黏结破坏作为水力劈裂发生的标志,可以较真实地模拟裂隙岩体水力劈裂时裂缝的产生和扩展过程。数值模拟结果表明,初始裂缝的相对长度、岩体的渗透性以及水压力的加载速率等因素均对水力劈裂的起裂压力有较大影响。起裂压力随着岩体初始裂缝长度的增加、水压加载速率的加快而降低,随着岩体渗透性的增加而有较明显提高。这些规律与现有的理论和研究结果是一致的,从而验证了采用颗粒离散元模拟裂隙岩体水力劈裂的可行性。     

裂隙岩体温度-渗流耦合数值流形方法研究(研究生论坛)

在建立岩体裂隙岩体温度-渗流耦合微分控制方程的基础上,基于裂隙网络渗流理论和数值流形理论,通过分析考虑裂隙作用的温度场和流形覆盖与裂隙网络的关系,以裂隙网络节点水头、覆盖温度函数为求解量,提出了裂隙岩体温度-渗流耦合的数值流形方法。该方法利用数值流形理论中网格、覆盖及流形单元的关系,可以在同一数学网格下实现了对温度-渗流耦合场的迭代求解。由于渗流裂隙网络必定会与材料边界相交,所以数学网格不受边界及裂隙限制,能够有效的避免常规方法中裂隙处网格划分问题,因此该方法特别适合于模拟裂隙岩体的耦合问题。最后,运用该模型对部分算例进行了计算,验证了方法的正确性。     

裂隙岩体大稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力让损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

考虑渗透动水压力时等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型

渗流对等效连续岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动水压力（渗流体积力）两部分。文中较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系,同时考虑渗透静水压力和渗流体积力的作用,以渗透系数与空隙率,体积应变的关系为桥梁,建立等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型,并采用有限元数值方法结合算例进行双场耦合分析与计算。结果表明,计入耦合作用,岩体各应力分量有不同程度的增大。     

井孔岩体稳定分析的弹塑性有限元格式

研究了倾斜油井井孔周围含天然裂纹的孔隙岩体的机械力学行为及其与流体流动耦合的力学问题，建立了相应的有限元格式.模型中将含天然裂纹的孔隙岩体看作双孔隙介质，即孔隙岩体和其中包含的裂隙系统.孔隙岩体和裂隙系统二者具有不同的孔隙率和不同的渗透特性.模型将孔隙岩体、裂隙系统、以及流体的流动三者耦合起来考虑，给出的有限元格式可以考虑岩体和裂隙系统二者不同的孔隙率和不同的渗透率.采用这一有限元格式分析了任意倾角的孔隙裂隙岩体中井孔围岩的变形与岩体内部流体的流动.     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

高放废物贮存复杂裂隙岩体的渗流传质特性

裂隙对高放废物深地质处置工程的渗流与传质过程影响显著。基于统一管网法（UPM）,考虑裂隙网络粗糙特性及吸附与衰变因素,研究裂隙岩体核素迁移机制,并针对单裂缝岩体溶质运移解析解进行基准测试。基于粗糙裂隙网络水力隙宽等效方法,研究裂隙粗糙度分布、岩石基质吸附能力及裂隙岩体传质特性对核素迁移过程的影响。结果表明,核素运移的突破曲线随着裂隙粗糙度的增大而向长时间方向移动;岩石基质扩散系数和延迟因子的增大极大提高了其对核素迁移的延迟效应;具有较长半衰期的核素易在岩体中积聚成相对较高的浓度,而较低的水力梯度值对相对浓度场分布特性的影响更为显著。     

压力水-岩耦合作用下砂岩断口微观破坏机理

为了研究流固耦合作用下岩石的损伤劣化机理,以砂岩岩样为研究对象,采用流固耦合力学实验系统开展轴压水压耦合作用下单轴压缩、三轴压缩及三轴蠕变实验,借助扫描电子显微镜对岩样破裂断口的微观结构特征进行分析。结果表明:单轴饱水岩样破裂断口表面比干燥岩样出现更多的裂纹核,且断口形貌以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;随着水压增大,三轴压缩岩样破裂断口表面裂纹核逐渐变少,剪切平行裂纹逐渐增多,岩样的宏观破坏形式从以张拉破坏为主逐渐向以剪切破坏为主转变;与三轴压缩岩样断口相比,三轴蠕变岩样破裂断口表面平整度和光滑度较差,晶体间联结更加紧密,剪切裂纹密度和深度增加。     

基于损伤力学的裂缝性储层流固耦合数值模拟

为了研究裂缝性储层裂缝的变形规律以及其对生产动态的影响,采用塑性损伤模型和双重孔隙介质模型相结合的流固耦合数值模拟方法,模拟了裂缝性储层注采过程中的裂缝和产量变化.采用迭代耦合方法模拟流体渗流与裂缝变形的耦合力学行为,并使用损伤变量从数学上表征储层裂缝的渗透率.分析了裂缝性储层开采时的损伤演化,获得了裂缝渗透率和地层压力的分布变化.结果表明,开采过程中地层裂缝逐渐闭合且渗透率降低,对产量造成不利影响.裂缝渗透率降低是导致地层产量下降的重要因素,裂缝性储层数值模拟时应考虑裂缝渗透率变化对生产带来的影响.     

Zonal disintegration mechanism of isotropic rock masses around a deep spherical tunnel

In order to investigate zonal disintegration mechanism of isotropic rock masses around a deep spherical tunnel, a new mechanical model subjected to dynamic unloading under hydrostatic pressure condition is proposed. The total elastic stress-field distributions is determined using the elastodynamic equation. The effects of unloading rate and dynamic mechanical parameters of isotropic deep rock masses on the zonal disintegration phenomenon of the surrounding rock masses around a deep spherical tunnel as well as the total elastic stress field distributions are considered. The number and size of fractured and non-fractured zones are determined by using the Hoek-Brown criterion. Numerical computation is carried out. It is found from numerical results that the number of fractured zones increases with increasing the disturbance coefficient, in-situ stress, unloading time and unloading rate, and it decreases with increasing parameter geological strength index, the strength parameter and the uniaxial compressive strength of intact rock.     

复杂条件下巷道围岩破坏机理及支护方案研究

从许厂煤矿复杂的地质构造入手,分析了复杂地质构造所引起的高应力特征,并结合围岩物理力学特性对巷道围岩变形破坏特点及破坏机理进行了分析,提出了复杂地质构造及高应力条件下软岩巷道的安全支护技术措施.该结果对同类型工程的设计与施工具有重要的参考价值.     

岩体渗流的数学模型和数值分析方法

在分析岩体渗透特性及其影响因素的基础上，建立了岩体渗流的数学模型；研究了岩体渗流的有限单元法，提出了适于解决裂隙结构渗流的节理单元，推导了相应的计算公式并编制了相应的计算机程序。对模型应用中的若干问题进行了探讨。     

轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性

在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中,伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下,严重影响岩土工程的长期稳定性.为保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性,以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象,利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统,开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变试验及其蠕变模型研究,主要分析压力...     

隧洞破碎带围岩失稳破坏模式及控制措施研究

为了解决在隧洞开挖过程中遇到节理带、断层等软弱破碎岩带时,发生大变形、塌方等围岩失稳破坏等问题,需提前或及时做好围岩支护措施,以确保洞室围岩的稳定及施工安全。本文以长河坝水电站泄洪洞工程为研究对象,通过对现场勘测资料、隧洞开挖施工方案及工程地质条件等的综合分析,确定了软弱破碎带围岩稳定的主要影响因素,提出了隧洞破碎带围岩的典型失稳破坏模式。针对隧洞破碎带处围岩的潜在失稳问题,综合采用超前支护、开挖后及时进行喷锚+钢支撑+锚筋束联合支护,并通过有限元手段对隧洞围岩支护方案的加固效果进行了分析。有限元计算结果表明,隧洞破碎带处经及时加强支护后,围岩变形得到有效地控制,避免了洞室围岩失稳破坏现象的发生;现场监测数据及实施效果也表明及时加强支护措施对围岩稳定控制的有效性。     

数字散斑相关法在SEM观测岩石变形时的应用

通过带扫描电镜的伺服实验机对岩石进行了原位拉伸观测实验,实时采集了岩石变形破坏过程中表面细观形貌的扫描电镜(SEM)照片.将亚像素插值和相关系数插值相结合,有效提升了数字散斑相关法的搜索效率和计算精度,并通过自行研发的数字散斑相关方法(DSCM)程序实现了岩石SEM图像中微小变形的分析计算.通过对比实验测定结果和软件计算结果,验证了算法的有效性.结果表明:岩石变形具有明显的非均匀性,在整体受拉的情况下局部出现受压区,其原因在于应力集中或损伤软化现象,且随着载荷的增加,损伤逐渐加剧并导致应变集中,从而诱发断裂.     

岩石裂隙压剪变形破坏与非线性渗流特性

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义,定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础,但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本研究制作了含单裂隙的花岗岩试样,采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验,得到裂隙渗透率的演化规律;通过高精度三维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据,基于自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序,表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律;提取裂隙开度分布数据,在COMSOL软件中求解Navier-Stocks方程,实施了不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟。定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系,结果表明：试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合,验证了裂隙变形计算程序的可靠性;法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系,且剪切位移增加的会导致裂隙内的接触面更集中;Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性,B和Jc与剪切位移之间呈幂函数递减关系,且随着剪切位移的增大,Jc和B的增加速率和波动范围逐渐降低;当剪切位移从2 mm增加到8 mm时,Jc的波动范围从6.10×10-3减少到1.20×10-3,降低了80.32%;B的波动范围从2.97×1014 Pa·s2·m-7减少到2.43×1013 Pa·s2·m-7,降低了91.28%;裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度Jc之间均存在相似的幂函数关系,据此建立了计算渗流从线性转换为非线性的临界点的预测公式。     

岩石损伤过程中的渗流特性

目前人们对岩石损伤后渗透性变化定性、定量方面的认识都存在不足,通过分析中国大量岩石全应力应变过程渗透性试验的成果,总结出目前岩石破损过程渗透性变化的4种类型。分析了岩石孔隙、裂隙、岩性等因素对于形成4种不同渗透性变化类型的影响,以及围压对渗透性发展演化的作用。峰值前一般渗透性随围压增加而减小,但峰后比较复杂,值得继续研究。统计分析了目前试验中岩石渗透性的变化范围,结果表明：一般软岩渗透性变化较小,脆性岩石渗透性变化较大。从目前围压1MPa-40MPa的全应力应变渗透性试验结果来看,97％渗透性变化不超过1000倍,其中85．9％渗透性变化不超过100倍。提出岩石破坏后是否出现高速非达西流需要从有效应力考虑,提出了渗流失稳与渗流作用下结构失稳的区别。