考虑降雨入渗的非饱和土边坡流固耦合数值分析

针对降雨入渗作用下非饱和土边坡的变形和稳定问题,运用ABAQUS有限元软件,建立二维非饱和土边坡流固耦合数值模型,对边坡渗流场、应力场和位移场进行分析,分析降雨入渗后边坡的孔压、饱和度、位移、塑性区扩展和安全系数的变化规律.结果表明:降雨入渗引起边坡孔压、饱和度、等效应力和位移增大,降雨强度减小和无降雨下,边坡孔压、饱和度、等效应力和位移减小回弹,边坡表层响应早于坡体内部;边坡坡脚最先出现塑性区,塑性区沿坡面浅层向上扩展,形成连续的塑性区贯通面;边坡安全系数在持续强降雨下持续减小,降雨强度减小和无降雨下,边坡安全系数增大回弹.研究结果可为非饱和土边坡的变形与稳定分析提供参考.     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

岩体稳定分析中的渗流模型与各参数计算

应力与渗流耦合作用下岩体的变形和破坏特征,与岩体结构、岩体的力学性质、渗流场有关,结合边坡的稳定分析模型,研究合理分析计算岩体的力学参数、渗透系数张量的方法.利用岩体质量分类系统和塑性破坏准则估算裂隙岩体的力学参数,计算裂隙岩体的渗流系数,为岩体稳定分析奠定基础.     

三峡工程永久船闸高边坡变形数值仿真分析

基于实际的开挖过程、锚固措施和地质条件建立了三峡永久船闸高边坡的二维和三维数值模型，按9种工况对边坡变形进行了数值仿真分析．计算成果表明，岩体开挖卸荷对边坡的变形有较大影响，正确地划分岩体卸荷带使计算结果更趋合理；锚固和地下水对边坡的整体变形影响较小；边坡岩体仅局部产生零星塑性屈服区，但在中隔墩顶部有拉应力区，可能引起岩体开裂；粘弹塑性模型计算成果显示，边坡开挖完成后变形将趋于稳定．     

富水巷道流固耦合效应FLAC-3D模拟

为探索富水岩层中开挖拱形巷道的稳定性问题,基于流固耦合分析理论,运用FLAC-3D中的等效连续介质渗流模型及FISH语言实现了巷道开挖后流固耦合效应的模拟,探讨了渗流场及场内流动矢量的分布特征,针对围岩塑性区、应力场及变形规律与非流固耦合进行对比分析.在流固耦合模式下,研究了开挖步长对孔隙水压力和竖向位移的影响规律.结果表明:流固耦合模式下,巷道围岩中形成了一个类似降水漏斗的形状,在巷道拱脚处流动矢量分布密集而且数值较大,随着开挖步长的增大,巷道拱顶孔隙水压力及竖向位移则有所减小.与非流固耦合相比,围岩塑性区范围和剪切带尺寸均有所增大,竖向总应力相对增大了10%.     

裂隙岩体边坡开挖卸荷稳定性离散元数值模拟研究

工程岩体边坡中伴生着大量随机裂隙,开挖卸荷很容易导致裂隙扩展,最终导致边坡失稳.但卸荷边坡稳定性涉及断裂力学、岩体力学、地质工程、水力学等多个学科,很难精确分析.针对裂隙岩体边坡,借助离散元方法定义裂隙密度,分析应力水平、台阶高度、裂隙密度等不同因素对边坡卸荷程度的影响.研究结果表明：开挖过程中,当应力水平由0.5 MPa增至2 MPa时,开挖面处最小主应力由0.01 MPa增加到0.2 MPa,最大位移由1.4 cm增加到6.5 cm;随着台阶高度减小,卸荷产生的拉应力区范围减小,变形主要位于中下部岩体;当裂隙密度增大时,边坡最大位移由1.4 cm增至5.5 cm,裂隙沿着优势面贯通趋势越明显.研究成果可为裂隙岩体边坡开挖卸荷变形控制提供参考.     

裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

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。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

流固耦合作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析降雨和地下水形成的渗流场与应力场的耦合作用,对某大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,利用二维和三维有限元对地下厂房开挖施工进行数值模拟分析。该厂房最大的特点就是复杂的地质环境,断面形状和尺度庞杂,最主要是有F77大断层横穿主厂房,且遭遇降雨入渗等影响厂房围岩稳定性的恶劣工程环境。因此,基于厂房开挖支护的数值仿真过程,通过是否考虑应力场或渗流场的影响等不同工况进行对比计算分析。依据计算的洞室内渗流量、围岩应力场、变形场以及塑性区分布等结果表明,主厂房和主变室边墙部位以及洞室拐角处需加强支护,且主厂房大断层处在施工过程中需要及时排水与加固处理。耦合作用下,围岩应力和位移均不同程度地增大、塑性区分布范围加深。因此,考虑应力场和渗流场的耦合作用是合理的,并且适时对地下厂房进行防渗和排水是十分必要的。     

高地应力深切河谷形变应力场及线路问题初探

为研究高地应力作用下河谷深切卸荷、岩体强风化的地质环境对拟建川藏铁路的影响,利用ABAQUS对高地应力背景场由河流深切卸荷下的河谷形变—应力场特征进行数值模拟研究;考虑到岩体的宏观力学性能受到卸荷回弹变形的影响而急剧减小,利用场变量实现力学参数随卸荷动态变化,对比分析河谷形变—应力场特征;针对印度板块挤压欧亚大陆板块使河谷两岸地应力值存在差异的情况,模拟主、被动盘的差异卸荷。结果表明:自重应力与40 MPa构造应力同时作用下的卸荷回弹值可达仅计自重应力场的3～6倍,出现由陡、缓倾面构成的"X"状共轭结构面,工程开挖下边坡岩体容易沿陡倾面崩塌,沿缓倾面滑移。将卸荷前后岩体偏应力比值k作为评价岩体受到卸荷影响程度的标准,高地应力作用下谷坡水平深度方向的k值介于1.5～2.5,地应力的量值对岩体卸荷程度有很大影响;较之不考虑岩体力学性质劣化情况,岩体塑性区范围将扩展,裂隙向谷坡上部延伸,坡体稳定性进一步下降;高地应力作用的河谷主动岸,坡面塑性区明显存在"X"状潜在滑移面,而被动岸仅有单向缓倾滑移面,主动岸对开挖扰动的抵抗力更低。据此提出相应的灾害预防措施的建议,为拟建进藏道路的区域工程地质选线提供参考。     

分步开挖卸荷作用下软硬岩互层边坡的稳定性分析

以沪蓉高速公路某软硬互层边坡为例,基于开挖卸荷理论,采用FLAC3D软件进行数值模拟,研究分步开挖卸荷作用对软硬互层边坡稳定性的影响规律。结果表明:最大不平衡力、最大水平位移值、剪应变最大值随开挖步数的增加累积增大,最大值出现在开挖卸荷面软弱夹层剪出口位置,与开挖量呈正相关关系;每步开挖后瞬间会产生最大不平衡力"尖点",然后逐渐减小接近于零,边坡平衡;塑性区主要分布在软弱夹层位置,拉应力区分布于开挖卸荷面附近以及整体边坡的坡顶面附近20 m以内,且总体拉应力不大,低于灰岩卸荷后的抗拉强度;基于卸荷理论计算得到每步开挖后边坡的稳定性系数比不考虑卸荷对边坡岩体劣化作用的稳定性系数分别降低了0.07、0.08、0.102、0.106。综合分析得出软硬岩互层边坡稳定性的关键问题是开挖卸荷对软弱夹层力学性能的影响以及边坡面附近的拉应力区,开挖卸荷作用对岩体物理力学性能的劣化程度直接决定着边坡的稳定性。     

土质边坡开挖变形特征分析

本文利用有限差分法，结合数值分析软甲FLAC对某高速公路边皮开挖变形特征进行了研究，研究表明：随着开挖的进行，边坡各监测点X方向位移逐渐增大。Z方向位移在开挖卸荷的影响下表现为卸荷回弹：边坡开挖过程中塑性区分布在不断地发生变化，开挖前期塑性区分布在边坡表层，开挖完成后塑性区在边坡内部呈现联通的趋势。     

坝区裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析

分析了裂隙岩体渗流场与应力场相互作用的实质,提出了渗流的渗透体积力、渗透压力以及对应力场的影响机理;采用有限元数值模拟的方法计算出渗流场影响下的应力场分布、应力场影响下的渗流场分布以及应力场和渗流场各自非耦合分布.以工程实例说明:在渗流作用力的影响下,坝基的各应力分量都增大,对坝基的稳定造成了不利影响.     

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。     

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。     

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性研究

应用3DEC离散单元法模拟柱状节理岩体应力渗流耦合.分析柱状节理岩体模型耦合算法与非耦合算法计算结果的差异及耦合算法下柱状节理孔应力与流量的变化.采用耦合算法所得最大应力与位移均大于非耦合算法,在耦合算法下,裂隙渗流产生的渗流力改变了应力场的分布,而应力场的变化使得裂隙岩体的渗透系数发生变化,从而导致岩体渗流场的重新分布.计算结果表明孔应力以及流量的变化是一个相互影响的动态过程.研究成果证明了所用方法的合理性,对柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性做出了初步的研究与分析.     

岩石面糙率的分布及其对裂隙水流的影响

就岩石央糙率的分布规律及其对裂隙水流的影响进行了计算分析,通过天然大理石板人工构成开裂隙模型所进行的大应力高水头耦合试验研究,对大理石板在糙度的实测数据进行了数值分析,分析表明,该岩面糙率符合斯分布,由此得出了数值岩面,同时,用数学模型确定了裂隙面接触状态与应力的关系,用应力场与渗流场耦合地描述了裂隙流渗随应力变化的渗流特性,从计算途径验证了试验结果。     

裂隙岩体渗流场与损伤场耦合模型研究

基于能量互易定理并考虑裂隙扩展过程中的能量转换和裂隙扩展过程中的相互作用，探讨了裂隙岩体在复杂应力状态下本构关系与损伤演化方程，给出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系，从而建立了多裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型，在此基础上，对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析，结果表明，左边坡相对于右边坡有更大的损伤演化区，应适当考虑左边坡的锚固和防渗措施。