考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟

综合考虑水压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,建立3维颗粒流(PFC3D )数值模型,从细观角度分析砂土颗粒运动及水压力分布,与理论结果比较以验证数值模型的可行性,并建立实际的饱和砂土渗流模型,模拟超过临界水力梯度后的砂土颗粒运动及赋存状态。结果表明：水流速和颗粒级配对介质颗粒运动的影响较大,颗粒刚度比和摩擦系数的影响相对较小,但较软的颗粒能提高计算效率。该模型可从宏细观角度更准确地反映饱和砂土介质的渗透破坏机理,对实际工程的渗透破坏具有指导作用。     

基于流固耦合数值模拟煤层底板破坏深度研究

随开采深度的加大,华北煤矿区下组煤开采面临煤层底板奥灰岩溶含水层的突水威胁越来越大。晋煤集团赵庄矿15#煤底板距离奥灰平均23.18 m,且井田范围内突水系数普遍大于0.1 MPa/m,加之岩溶陷落柱和小型高角度断层发育,开采15#煤面临奥灰水威胁较大。在考虑赵庄矿的地质构造,矿山压力、奥灰水压及15#煤层开采等综合因素的基础上,建立起15#煤层底板含水层均布水压流固耦合模型,运用FLAC3D软件模拟分析了开采对底板的破坏情况,结果表明:流固耦合条件下底板的最大破坏深度为23 m,承压水最大导升高度为7 m,模拟成果可为15#煤安全开采提供参考。     

黄土斜坡变形失稳破坏特征的振动台模型试验

基于低含水率黄土纯土层、低坡角斜坡、1∶25相似比的振动台模型试验,研究了黄土斜坡在地震作用下的变形发生和失稳破坏过程及其加速度和应力响应特征,对典型黄土斜坡强震失稳机制进行了探讨.试验表明:黄土斜坡对输入地震波存在着明显的临空面放大效应以及垂直放大效应;在烈度为VII度的地震荷载作用下,斜坡模型在其坡顶前缘处发生了最初的张性裂缝,随着地震强度的增加,斜坡顶部的张性裂缝逐渐由前缘向后缘推进,最终形成一系列的永久性张性破坏;在烈度为IX度的地震作用下,模型顶部出现了明显的震陷,呈现出典型的震陷型滑坡的特点.     

基于流固耦合理论的隧道涌水量预测

涌水量是富水位隧道设计和施工的一个重要参数.结合大伙房水库输水工程的实际地勘资料,建立与实际相符合的三维涌水量数值模型,运用流固耦合理论对该工程进行数值模拟分析.同时,利用FLAC3D内置的FISH函数编程计算出了15+720~15+797工程段的最大涌水量和经常涌水量.计算结果表明:断层带施工前方水流流速较大,易发生涌水灾害;预测出的涌水量与现场实测值比较吻合,具有很好的参考价值.因此,施工过程中要加强前方地下水的探测,及时采取注浆止水措施,以防涌水事故的发生.     

基于流固耦合的尾矿库三维失稳形态及稳定性分析

针对尾矿库实例,根据尾矿库几何特征建立了尾矿库的三维数值分析模型,实现了尾矿库基于流固耦合—强度折减的三维稳定性分析,分析了尾矿坝滑移面的形成过程,得出尾矿坝内三维滑移面空间分布:该滑移面在尾矿坝坝面上表现为一个封闭的塑性带,塑性带分布范围与尾矿库地形相关;该滑移面在尾矿坝的纵剖面上表现为近似圆弧的曲线,且其埋深与库区地形相关,对尾矿库三维破坏区合理分析有利于确定尾矿库可能溃坝范围,为尾矿库风险分析提供依据.最后对三维强度折减法和二维极限平衡法进行了比较分析,结果表明尾矿坝临界滑移面位置和安全系数与三维地形相关,建议采用二维分析时计算剖面选取应考虑地形影响.     

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明：在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.     

流固耦合作用下地层变形与套管破坏分析

为分析油气工程中地层变形导致的套管失效问题,采用多孔介质流固耦合计算方法,将储层作为具有多孔介质属性的材料,计算了多孔介质流固耦合作用下的地层变形.通过组合应用parasoid建模方法和布尔操作,依据辽河油田公司锦州采油厂J25区块的地质数据,建立了三维有限元实例模型.计算结果表明,地层变形控制了套管破坏,具有多孔介质属性的地层其变形速度明显大于其它地层,流固耦合作用对地层位移具有明显影响.依据计算结果分析,得到通过储层变形可以预测套管破坏位置的结论,为工程中的套管防护提供了建议.     

裂缝长度对盾构隧道管片结构破坏模式模型试验研究

依托国内某地铁区间盾构隧道工程,采用相似模型试验的方法,通过对盾构隧道管片的声发射数据、管片衬砌位移及破坏过程素描等数据的分析,研究不同裂缝长度条件下管片衬砌在外荷载作用下的力学响应及其承载性能。研究结果表明:裂缝的存在降低了结构整体刚度,裂缝长度对管片衬砌结构的力学特性具有显著影响,1/3幅宽是裂缝长度对管片衬砌结构力学性能影响的分界点;当裂缝长度大于1/3幅宽时,随裂缝长度增加,相同荷载条件下管片椭圆扁平率急剧增大,结构的极限承载力逐渐降低,结构的失稳破坏趋于突发性破坏。     

损伤层状盐岩蠕变-渗透的流固耦合实验研究

以湖北云应盐矿地下600~700 m含泥岩夹层的氯化钠盐岩试件为研究对象,进行层状盐岩的蠕变-渗透试验。研究结果表明:单轴压缩条件下层状盐岩的衰减蠕变、定常蠕变阶段显现,定常蠕变率保持在7.05×10-6/d左右;在定常蠕变阶段,盐岩层微裂隙稳定扩展,盐岩层与泥岩夹层蠕变特性的差异诱发盐岩-泥岩夹层出现剪切损伤破裂,这种层状盐岩的蠕变破裂为渗流提供了通道;未扰动的层状盐岩致密,渗透性差,而蠕变损伤状态下的层状岩盐透气系数呈数量级增加,而且渗透性能的流固耦合效应十分显著,渗透系数随体积应力与渗透压的变化而发生变化,定常蠕变阶段损伤层状岩盐的渗透系数k与有效体积应力Θe遵循负指数函数规律,其流固耦合方程为:k=2.046 2×10-10exp(-0.061Θe),这可对层状盐岩油气储库的渗漏安全评价提供参考。     

劲芯水泥土桩复合地基承载路堤失稳破坏模型试验

劲芯水泥土桩可有效提高软土地基承载力,减小地基沉降和提高边坡稳定性。目前对于劲芯水泥土桩的研究主要集中在其承受竖向荷载条件下的工程特性上,对于路堤荷载下桩体失稳破坏模式与计算方法的认识尚不全面。开展1g重力场模型试验,对比研究了路堤荷载下天然地基、水泥土桩复合地基、劲芯水泥土桩复合地基路基变形、桩土应力、桩体应变、桩体破坏形态及路堤失稳模式,并评价了现有刚性桩复合地基稳定性计算方法对于劲芯水泥土桩复合地基承载路堤稳定性分析的适用性。结果表明：相较于水泥土桩,劲芯水泥土桩能有效约束地基土变形,路面沉降约为水泥土桩复合地基的61%～71%,坡外隆起约为12%～46%,进而显著提高路堤的稳定性。在路堤荷载下,劲芯水泥土桩表现出渐进式失稳破坏特征,桩体可发生纯压破坏、压弯破坏和弯曲破坏,且与桩体刚度和相对于路堤位置有关,桩体断裂位置与滑动面位置并未重合。等效抗剪强度法对于劲芯水泥土桩承载路堤稳定性分析具有一定的适用性和应用价值。     

流固耦合作用下节理岩质边坡失稳过程的RFPA模拟分析

利用基于强度折减法的RFPA-Slope对渗流与应力耦合作用下的软弱互层岩质边坡稳定性进行了数值模拟分析,数值模拟不但直观形象地给出了边坡的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了边坡滑移破坏面的萌生、扩展、贯通以及坡体整体失稳的渐进破坏过程,同时求得安全系数。并与无地下水的稳定性作了比较,结果表明,地下水渗流的作用使坡体位移增大,边坡安全系数减小,明显加大了滑坡范围。对实例的分析说明,RFPA-Slope能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及计算相应的稳定安全系数,本文方法对于边坡,特别是对于复杂边坡的稳定性分析具有实用性。     

隧道钢拱架支护的失稳破坏分析与对策

针对隧道支护使用钢拱架存在的靠增加钢拱架数量提高支护系统承载力的做法,结合工程实例分析隧道支护中钢拱架失稳破坏的形式及原因——钢拱架因为侧向刚度低而发生弱轴平面内的扭曲失稳。指出采取增设钢拱架之间的适当连接,增加其相互约束,可提高钢拱架弱轴平面的抗弯刚度。这是隧道支护设计与施工中提高钢拱架支护系统承载能力的简单易行的有效方法。这样做有利于充分发挥钢拱架的承载能力,获得良好的工程经济效益。     

流固耦合作用下节理岩质边坡失稳过程的RFPA模拟分析

利用基于强度折减法的RFPA-Slope对渗流与应力耦合作用下的软弱互层岩质边坡稳定性进行了数值模拟分析,数值模拟不但直观形象地给出了边坡的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了边坡滑移破坏面的萌生、扩展、贯通以及坡体整体失稳的渐进破坏过程,同时求得安全系数.并与无地下水的稳定性作了比较,结果表明,地下水渗流的作用使坡体位移增大,边坡安全系数减小,明显加大了滑坡范围.对实例的分析说明,RFPA-Slope能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及计算相应的稳定安全系数,本文方法对于边坡,特别是对于复杂边坡的稳定性分析具有实用性.     

岩石失稳破坏的理论研究

建立了单轴压缩下岩石的本构关系,在此基础上研究了尺度对岩石全程位移 荷载曲线的影响.研究表明,岩石材料的破坏并不等同于岩石 试验机系统已发生失稳破坏,而是其发生失稳破坏的前兆.增大岩石的长度或减小其直径相当于降低了试验机的"有效刚度",从而使得岩石 试验机系统更容易发生失稳破坏.而后基于岩石三轴压缩状态下的剪切破坏模型,建立了岩石失稳破坏发生的条件.理论分析表明,尽管试验机本身的刚度足够大,但岩石 试验机系统仍会发生失稳破坏,其根源在于岩石材料本身的失稳破坏,岩石失稳破坏的发生与其长度及所加围压相关,增大岩石的长度或减小其围压,均能使岩石由稳定破坏转化为失稳破坏.图7,参11.     

流固耦合作用下富水深埋隧道帷幕注浆力学模型

富水隧道的施工中往往采用帷幕注浆法对围岩进行堵水加固,需准确获取富水深埋隧道帷幕注浆法加固后隧道围岩的位移场与应力场大小;基于流固耦合理论,建立隧道注浆帷幕力学模型,推导了围岩位移与有效应力的解析式;以大瑞铁路某富水深埋隧道为工程背景,采用建立的力学模型计算了6种加固方案,并分析了围岩剪切模量和弹性系数对位移场与应力场变化的影响;通过与有限元数值模拟结果以及现场监测结果对比,验证所建立力学模型的准确性。研究结果表明：所建立的力学模型可较为准确地计算帷幕注浆法施工的隧道围岩位移与有效应力;较大的剪切模量和弹性系数可抑制围岩位移,但会增大围岩的径向和环向有效应力。     

基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引发地表变形

利用泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥水介质渗透的微观机理进行分析.同时,以具体工程为研究对象,结合流固耦合基本原理对由于开挖面泥水渗流所引起的隧道开挖位移场进行计算分析.研究结果表明:泥水介质向开挖面前方土体渗流时,将引起隧道地表附加沉降,且泥水压力大于主动土压力时,泥水压力越大,附加沉降量越大,但总沉降量越小;泥膜渗透系数越小、泥膜厚度越大附加沉降越小;适当增加施工进度有助于减少附加沉降.因此,在高渗透性地层条件下采用泥水盾构施工时,应确保泥水介质的质量,适当提高施工进度,尽量减少泥水渗透对开挖面稳定性及地表变形的小利影响.     

基于流固耦合理论的郑州地铁隧道开挖数值模拟

以郑州地铁某区间的隧道施工为背景,采用基于流固耦合理论的COMSOL Multiphysics多物理场耦合的有限元软件对隧道开挖引起的地面沉降、不同的隧道埋深和地下水位进行数值模拟,并与现场实测结果进行对比分析.结果表明,隧道开挖前,渗流场的压力和应力场的有效应力沿水平方向均匀分布;地表沉降的数值模拟结果与实际较为接近;隧道埋深越深、地下水位越低对地表沉降的影响越小.     

基于流固耦合理论的浅埋隧道稳定性系数分析

基于流固耦合原理.在考虑渗流效应的作用下,对浅埋圆形隧道、双线铁路隧道、两车道公路隧道的围岩稳定性系数进行了计算.分析了围岩级别、隧道断面形式、是否渗流三个因素对围岩稳定系数和围岩塑性区分布范围的影响.结果表明:在断面形式和围岩级别一致的情况下,渗流效应对围岩塑性区的分布范围有重大影响;在影响围岩稳定系数的三个因素中,隧道断面形式和围岩级别对围岩稳定系数影响较大,而渗流影响相对较小.     

岩质高陡边坡动力响应及失稳机制大型振动台模型试验研究

针对岩质高陡边坡动力响应和失稳机制问题,设计并完成了含不连续节理的岩质高陡边坡大型振动台模型试验.对主要岩性特征,采用水泥、沙、铁粉、黏土与混合剂配制岩体材料.对岩质边坡的不连续节理,在边坡内部按照一定的规律设置表面摩擦系数极低的特氟龙布.试验表明,含顺向不连续面的高陡岩质边坡地震作用下的破坏形态主要有三个阶段:裂缝开展,坡面剥落,崩塌滑动;主要滑动面沿特氟龙开展,发生在2/3坡高的位置;加速度响应沿坡面向上有明显放大,水平向加速度占主导;当地震烈度加大时,离坡尖越近,加速度放大效应越强.     

灌溉诱发夯土长城遗址失稳模型试验研究

中国西北地区的土遗址主要以夯土构筑物的形式存在,某些地区存在夯土遗址与农田相邻的现象,在农田灌溉的作用下,土遗址墙体易发生坍塌破坏,对土遗址的保护利用产生较大困难.针对此现象开展了室内模拟试验,基于遗址土的物理性质指标,仿古人夯筑工艺制备模型墙体.观测和记录模型墙体在灌溉过程中的变形过程,结合受力状态,从定性和定量两方...