渗流-三轴应力耦合试验机的研制

为了对工程设计提供必要的依据,需要进行岩体的渗流-三轴应力耦合研究。由于缺乏相应的试验设备,因此研制了渗流-三轴应力耦合试验机,该设备由密封、水压控制、三轴加载、流量计量、自动控制及数据采集系统5部分组成,能够在垂直于渗流向的两个方向上实现独立加载。研制过程中引入了一些新工艺,采用聚氨酯密封胶实现了试件在高水压下的密封,引入阻尼器削减水压振幅以获得平稳的高水压源,采用油封技术解决小流量测量中的蒸发问题。     

煤层气非饱和流阶段非稳态流固耦合渗流的一维摄动解析解

煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程 ,考虑到渗流过程中水 气两相不溶混流体与固体耦合作用 ,建立了非饱和水流阶段非稳态渗流问题的流固耦合数学模型 ,对该强非线性数学模型采用摄动法及积分变换法进行解析求解 ,并讨论了其压力动态特征 ,分析了压力随饱和度S及时间t变化的情况和气相以及耦合作用的影响 .图 4,参 6 .     

等效连续裂隙岩体渗流与应力全耦合分析

推导了等效连续裂隙岩体渗透性与应力变形的关系,根据应变等效原则推导了等效连续裂隙岩体的弹性矩阵,首次采用四自由度全耦合法,建立了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合有限元方程组,进行了等效连续裂隙岩体渗流与应力的全耦合分析。     

金府站地铁深基坑降水支护应力渗流耦合演化机理

依托成都地铁6号线金府站地铁深基坑,采用岩土工程有限元数值仿真软件Midas GTS NX分析了基坑降水支护的渗流应力耦合过程中的变形演化机理,结合现场实际监测数据,对基坑降水支护的渗流应力耦合过程中,基坑围护结构及周边地层的变形演化机理做了详细的研究。采用修正莫尔-库伦(Modified-Coulomb)本构模型、数值仿真软件,通过分析现场实际检测数据,可以得到在深基坑开挖过程中,围护桩深层水平位移最大值随着基坑开挖深度的增加逐渐下移,最大值出现在开挖面附近,围护桩深层水平位移变化形态表现为"大肚状",说明在基坑开挖过程中,其围护桩的侧向位移主要取决于基坑纵横向地下围护桩的相对约束刚度。     

应力状态和湿化路径对非饱和边坡的瞬态渗流状况的影响

借助双变量理论,提出了预报非饱和土中渗流和变形的简化模型,由此考察了依赖于应力状态的土的水分特征曲线（Stress Dependent Soil Water Characteristic Curve,SDSWCC）及其干湿滞回效应对非饱和边坡中的瞬态渗流的影响。     

深部开采工程中渗流-损伤-应力耦合模型

为了研究地应力场、损伤对渗流场深部岩体的影响问题,从理论上分析了岩体渗流运动的基本规律,引入岩体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含岩体开挖过程固气-损伤耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动中岩体渗透性的演化规律。结果表明:在开采过程上覆岩层应力增大、变形增大,岩体垮落现象明显,并伴随着岩体渗透性迅速增大,应用该耦合模型解决实际工程和现场实际观测结果比较吻合。     

基于单变量理论的非饱和流固耦合模型的推导

岩土介质的应力场和渗流场是是一个相互影响的，互相联系的，统一的系统，岩土介质的应力场和渗流场的相互影响体现了两场之间的耦合关系？本文以新近提出的单变量的Bishop有效应力为基础，假定颗粒不可压缩，水气两相为轻微可压缩的流体且互不相容，推导出了非饱和土流固耦合模型？     

混凝土破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型

从基础理论方面研究混凝土材料渗流和应力的耦合作用机理,首先叙述了混凝土材料细观和宏观的联系,分析了混凝土的渗透特性以及耦合的基本概念.在经典Biot渗流力学基本方程的基础上,增加一个反映渗流系数和孔隙变化关系的耦合方程,并结合混凝土的弹性损伤本构方程,引入渗流突跳系数ξ这一概念,提出了复杂应力作用下混凝土损伤演化过程渗流-应力耦合方程.本模型通过渗流、应力和损伤的相互作用反映出材料的宏观复杂破坏现象和非线性行为.     

基于渗流-应力耦合分析隧道双层衬砌力学特性

城市地铁盾构隧道支护结构主要为单层衬砌。为满足支护结构承载、防渗、开裂等要求,双层衬砌结构设计日益成熟。为揭示双层衬砌力学特性,首先通过推导渗流-应力耦合方程组,揭示地下土体应力、渗流相互耦合方程;基于渗流-应力耦合原理,利用ABAQUS软件,考虑围岩压力、隧道埋深等工况,计算、比较单层衬砌、双层衬砌的承载力特性,得到以下结论:(1)初衬、二衬在支护作用下均承载,但是初衬应力为二衬3倍左右,为主要承载结构;(2)在渗透系数减小的情况下,初衬应力增加、二衬应力减小,二衬的作用主要为防渗和安全储备。     

考虑瓦斯解吸影响的煤渗流应力耦合模型

为了模拟瓦斯解吸引起的煤基质收缩对煤层瓦斯抽放的影响,采用数值计算方法建立了考虑瓦斯解吸影响的煤岩渗流应力耦合数学模型。并对Seidle模型不考虑有效应力对渗透率影响的缺陷提出了改进,开发了相应的数值计算程序,并对数值计算程序的可靠性做了验证。数值算例按考虑和不考虑瓦斯解吸影响两种工况分析了一个试井的瓦斯抽放过程,结果表明:瓦斯解吸诱发的煤基质收缩会较大提高煤岩的渗透率,在瓦斯抽放数值计算中应予以考虑;建立的改进Seidle模型能很好地模拟有效应力和瓦斯解吸对煤岩渗透率的影响。     

基于非饱和渗流原理的路基含水率预估

为了研究路基内含水率分布规律,确定地下水位、降雨和蒸发作用对路基材料含水率的影响,建立了基于非饱和渗流原理的有限元模型,进行稳态及瞬态的渗流计算,模拟粉质粘土、砂质粘土、亚粘土和亚砂土4种路基及边坡材料含水率的变化规律;通过埋设频域反射仪得到路基含水率年变化规律。研究结果表明：4种路基的含水率均随地下水位的升高呈指数形式上升,持续的降雨和蒸发作用对路基边坡影响深度范围为0.2～0.6m;基于非饱和渗流原理的有限元模型对路基含水率的预估具有较高的精度,能够达到工程应用要求。     

用似双重介质模型进行岩体应力与渗流耦合分析

将宏观裂隙按裂隙渗流模型分析,微观和细观裂隙按等效连续介质模型处理,给出了一种非线形耦合分析模型———似双重介质模型。基于该模型导出了岩体应力场与渗流场的非线形耦合分析有限格式。通过对煤矿矿井突水预报问题进行分析研究,验证了所提出的方法是可行和实用的,并给出了一些有实际应用参考价值的结论。     

基于Buckley-Leverett方程的水气两相渗流理论

为了准确的研究降雨条件下的饱和-非饱和带地下水运动水气二相渗流过程,以Buckley-Leverett两相渗流方程为基础,从水气二相渗流的连续性方程和达西定律出发,推导了岩土饱和-非饱和带水气二相渗流的三维动力耦合模型,并利用伽辽金有限元法和隐式向后差分法给出了数值解法,编制了相应的三维有限元计算程序。以龙滩水电站工程为实例进行计算,结果证明了所提出的模型对饱和-非饱和渗流计算的有效性。     

超低渗透油层温度-应力-渗流的流固耦合效应

目的在于研究由于注入流体的温度过低而引起超低渗透油层渗透率和孔隙结构变化的温度-应力-渗流的流固耦合效应.实验选用了长庆超低渗油藏的岩心,在恒压和各种不同温度下测定了岩心的渗透率.实验结果表明:①随着温度的降低,岩心的渗透率不断降低,大约2/3的超低渗岩心在25℃左右时会出现裂缝直至断裂.在25~15℃温度段内,流体通过超低渗透多孔介质的渗透率对温度最敏感,其变化程度最大(要么降低的幅度最大,要么出现裂缝),且这种变化是部分不可逆的.②随着温度的升高,岩心的渗透率稍有增加,当温度再开始下降时,渗透率下降,温度下降到原始地层温度时渗透率的值比初始值要大,但增加的幅度不大.因此,注水开发低渗透和超低渗油田时应尽量避免冬季投产和施工作业.在正常的开发状态下应在合理的生产压差下,合理选择或保持适当的注水温度,尽量降低冷伤害对开发效果的影响,保持油藏的稳产和高产.     

基于流固耦合特性的非饱和膨胀土变形仿真计算

在考虑膨胀土的非饱和土特性基础上,基于有效应力原理的单变量理论推导非饱和膨胀士弹塑性本构模型,选用适用的土-水特征曲线方程和非饱和土渗透系数方程,根据流崮耦合力学的理论与方法,将膨胀土吸水膨胀或失水收缩过程视为一个动态耦合作用过程,建立渗流-变形耦合分析模型.该模型考虑流固耦合作用引起的孔隙比和渗透系数变化(包括有效应力的影响),并根据边界孔隙水压(或基质吸力)的变化模拟膨胀土体的吸水和失水过程.通过对膨胀土样室内有荷膨胀试验的渗流、变形过程的仿真模拟验证仿真计算模型的有效性和正确性.研究结果表明:采用该仿真计算模型对膨胀土的变形(膨胀或收缩)进行计算和预测可取得较好结果.     

采空区多参数气-固耦合渗流模拟

针对由于采空区内非均匀孔隙介质的存在,造成采空区风流动态流动的复杂性,在渗流力学与气-固理论相结合的基础上,采用理论分析、软件模拟以及实例验证等方法,分析了采空区内孔隙度变化规律以及多参数渗流连续数学模型;基于高效的有限体积算法,进行了数值解算,并编制了模拟软件,研究结果表明:采空区内渗透率整体呈现"U型"筛分布,在进风口和回风口处最大,随着采空区深度的增加渗透率逐渐变小;压力呈"扇型"分布,在进风口处最大,随着向采空区延伸,压力变化逐渐趋近于零;采空区内渗流速度呈"弧型"分布,靠近工作面的区域漏风较强,随着向采空区延伸,漏风速度逐渐趋近于零;同时对模拟结果进行了三维和二维演示,使问题更清晰、直观明确,为辅助分析采空区瓦斯排放、自然发火、注氮灭火、大面积均压调压等诸多安全问题提供保障.     

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题,在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型,通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟,得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律,确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致,进一步证实了实验的可靠性,这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。     

滇西典型土质滑坡饱和-非饱和渗流稳定性研究

降雨是滇西土质滑坡灾害的主要诱发因素,而滑坡土体中孔隙水压力的存在使得岩土体的力学性状变得更加复杂.选择滇西红层典型土质滑坡-思铺滑坡做深入的调查,考虑降雨入渗的影响,基于饱和-非饱和渗流理论,选择9月份的降雨量监测资料,对强降雨条件下思铺滑坡地下水动态渗流场进行了数值模拟,将其孔隙水压力结果用于滑坡稳定性分析.同时,又基于非饱和土强度理论,采用GLE通用条分法,对滑坡稳定性的时空效应进行了评价,从而得出降雨入渗与土质滑坡的内在联系:滑坡稳定性与其渗流滞后性有较好的对应关系,最危险滑动面随含水量不同而呈空间的演变.     

基于吸应力的非饱和黄土抗剪强度研究

文章通过滤纸法与直剪试验相结合的方法,得到了非饱和原状黄土土水特征曲线和抗剪强度,分析了基于吸应力下的非饱和原状黄土的抗剪强度。试验结果表明:非饱和原状黄土的抗剪强度随基质吸力的增大表现为非线性增大,并逐渐趋于稳定,与土水特征曲线的变化规律基本一致;表观黏聚力随基质吸力的增大表现为非线性增大,尤其在毛细发挥段和水膜吸附段该趋势变得非常明显;表观内摩擦角随基质吸力的增大呈稍微增大的趋势;与表观内摩擦角相比,表观黏聚力的增加幅度较大,因此基质吸力对抗剪强度的贡献更多地体现在表观黏聚力上。通过吸应力概念得到了非饱和原状黄土的表观黏聚力;当土体含水率大于塑限时,基于吸应力公式计算的表观黏聚力与试验结果基本一致;当土体含水率小于塑限时,运用吸应力公式计算的表观黏聚力远远大于试验结果。因此,在含水率较高时,可用吸应力下的抗剪强度公式预测非饱和原状土抗剪强度;在含水率较低时,基于吸应力下的抗剪强度公式是不适用的。