岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。     

节理粗糙度对应力-渗流耦合特性影响试验研究

通过对3种不同粗糙度的人造节理试件进行压剪条件下的应力-渗流耦合特性试验,分析了剪切应力、法向位移、节理水力开度及透过率在剪切过程中随剪切位移变化的趋势和规律,获得了节理粗糙度对应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理表面粗糙度是节理特性中对岩体力学和水力学性质有重要影响的指标之一,当节理面在开始产生较小的剪切位移时,节理的应力、位移和水力开度及透过率等特性会产生较大变化,而节理表面粗糙度越大,对节理应力-渗流耦合特性影响越明显。     

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。     

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。     

双层地基渗流作用下有效应力性状研究

研究了一维向上渗流作用下双层地基有效应力的计算问题，推导了有效应力的计算公式，讨论了有效应力性状。渗流作用下土层有效应力由两部分组成：一部分是自重有效应力，由重力引起的，体现了静水压力的影响；另一部分是渗透有效应力，是由土层水头差产生的，体现超静水压力的影响，文后给出了实例计算。     

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.     

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。     

岩体应力—渗流问题耦合分析的数值模拟

本文探讨岩体应力一渗流问题耦合分析的数值模拟方法。作者根据实际工程岩体的特征——含有孔隙并为各种结构面所切割,对岩体中的岩块和裂隙分别进行处理,然后对岩体裂隙应力—渗流问题进行耦合分析,从而建立相应的有限元方程。此方程可用于实际工程岩体的稳定性分析。     

基于非饱和渗流应力耦合的河堤窝崩机理

从土坡稳定的角度出发,基于强度折减原理,采用饱和非饱和渗流应力耦合方法,综合分析河堤岸坡内在因素和外界动力因素对窝崩形成的作用,探讨窝崩形成机理.结果表明:饱和非饱和渗流应力耦合方法计算的窝崩最小安全系数明显小于非耦合方法;窝崩的本质是岸坡土体在各种不利因素的组合作用下发生的剪切破坏;黏聚力及内摩擦角是防止窝崩的有利因...     

三轴应力作用下岩石单裂隙的渗流特性

侧向应力作用下岩体裂隙开度呈现增大的趋势,采用侧向应力影响系数,将侧向应力等效为作用于裂隙法向的拉应力,基于岩体裂隙法向闭合变形法则,建立了三轴应力作用下裂隙开度表达式,在此基础上推导了岩石单裂隙渗流与三轴应力耦合模型.采用人工劈裂贯通裂隙进行三轴应力下的渗流实验,研究结果表明,法向应力、侧向应力以及渗压对裂隙渗透系数有显著的影响,裂隙渗透系数随法向应力的增加而减小,而随侧向应力或渗压的增加而增大,裂隙渗透系数与三轴应力呈指数函数关系.实验结果与理论分析具有很好的一致性.     

考虑渗流应力耦合的地基变形分析(英文)

数值解析方法作为地下构筑物变形分析的重要手段,可提供工程设计和性能评价的可靠依据.为提出一种可用于分析软土及改良土体的强度与变形的有限元计算方法,基于一种可反映软土应力-应变关系并能够考虑固结粘土中应力引起的各向异性的弹塑性本构模型,结合分析土体变形中渗流-应力耦合的作用,采用有限单元计算方法,对软土及改良土体进行变形分析.同时结合工程实际,采用此方法对加固后的坝基进行沉降分析,并把分析结果与监测结果进行比较,表明所提出的方法可较好地分析地基变形情况.     

复合衬砌量化修正渗透系数隧道涌水量的计算方法

为了使用轴对称解计算设置防水板和排导系统的复合式衬砌的隧道涌水量,假定隧道二次衬砌均匀渗水,从隧道涌水量不变的角度,通过反演分析得到复合衬砌的一个量化修正渗透系数K^*_l.通过六盘山特长隧道实际工程验证了这种方法的可行性及准确性,为复合衬砌涌水量计算提供了有利条件.     

陡倾层状岩体隧道衬砌承载力特性分析

采用ANSYS分析软件,分析层状岩体中不同厚度衬砌隧道结构受力,得出采用合适的衬砌厚度对实际工程有重要意义的结论.     

深埋三车道大断面隧道二次衬砌厚度优化分析

为了研究合理的二次衬砌支护参数,以陕西省宝鸡到汉中高速公路铁佛殿1号隧道工程为例,通过运用MIDAS软件建立数值计算模型的方法,对Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下的深埋三车道隧道二次衬砌进行数值模拟分析,并对不同的二次衬砌厚度进行了安全系数计算。结果表明:深埋三车道大断面隧道Ⅳ级围岩二衬厚度优化至设计值75%、Ⅴ级围岩优化至设计值80%时,隧道结构安全系数满足规范要求。可见目前的公路隧道设计规范对于二次衬砌厚度的规定偏于保守,对于一般情况的隧道设计,有必要进一步减薄优化。     

预制衬砌隧洞的防渗效果分析

目前采用TBM开挖和预制管片衬砌的水工隧洞愈来愈多，其防渗效果如何是人们普遍关注的问题之一。文章在分析联接段7#隧洞输水渗漏损失量计算的同时，指出渗漏问题除同施工质量密切相关之外，衬砌构造的细部设计、工程地质和水文地质条件等也都有一定影响。     

导流隧洞混凝土衬砌结构有限元分析与研究

根据某水电站引水系统实际情况,采用ANSYS三维非线性有限元法,建立其引水系统中南导流隧洞的三维有限元模型,并对其钢筋混凝土衬砌结构进行分析,验证了衬砌方案和支护参数的合理性,提供衬砌配筋计算结果,并论证了现有衬砌和支护方案合理性,补充和完善加固处理措施.结果表明,南导流隧洞各段衬砌在计算工况下,水平位移最大值为0.256 mm,方向指向隧洞内部;垂直向最大位移为8.443 mm,方向向下;最大第一主应力为拉应力,其值为1.150 MPa;衬砌最大第三主应力为压应力,其值为-1.190 MPa,由于衬砌C25混凝土的抗压强度为11.9 MPa,故衬砌结构安全.但在侧墙与顶拱、侧墙与底板交界处应力值较大,应当采取适当措施加大结构的强度.     

隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析

利用ANSYS有限元分析软件,对某公路隧道的设计与开挖过程进行了仿真分析.采用二维弹塑性有限元分析方法,对衬砌结构的内力进行计算和分析.并结合公路隧道设计规范给定的极限状态方程,计算出隧道衬砌的强度安全系数.研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响,为类似隧道设计施工提供科学依据.     

防排水系统对复合式衬砌渗透特性的影响及表征方法

采用修正的初衬渗透系数表征复合式衬砌的渗透特性.建立了复合式衬砌渗流模型,推导了复合式衬砌的渗透系数计算公式,并分别采用模型退化方法和数值法对提出的公式进行了验证.结果表明:当围岩渗透系数为1×10-7～1×10-6 m·s-1时,考虑环向排水管、土工布和防水板的复合式衬砌渗透系数对涌水量和外水压力的影响不容忽视;复合...     

施工期隧道喷混凝土支护安全性评价

隧道施工中,利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全性评价是隧道动态设计的关键,对保证隧道结构的安全具有重要意义.在隧道监控量测参数中,由于支护位移测量方便、花费低和可信度高,在工程实践中被广泛采用.本文欲以隧道施工中喷混凝土支护的量测位移为基础来建立一个隧道结构的安全性评价方法.文章给出了支护结构截面失效的功能函数及计算支护内力的计算公式,讨论了基本随机变量的概率特征,叙述了通过测量位移计算可靠指标的步骤.在此基础上进行了实例分析,总结了所提方法的特点,并给出了今后研究工作的建议.本文方法可用于施工期隧道喷混凝土支护的安全性评价,具有较好的理论和实用价值.     

考虑复合衬砌层间接触效应的衬砌结构力学特征

为了研究防水板对复合式衬砌结构力学特征的影响机制,以实际工程为依托,采用FLAC^3D有限差分软件内置的Interface接触面单元模拟防水板引起的层间接触效应,建立数值仿真模型并与荷载结构模型进行对比,分析了二衬在不同排水率下的内力及形变特征,并探究了二衬各设计因素对其安全性的影响规律。结果表明：在初支与二衬间设置接触面单元来模拟防水板引起层间接触作用的地层结构模型可靠性较高;防水板的存在导致初支与二衬无法协同受力,复合衬砌层间出现应力突变现象,二衬具有挤压或脱离初支的形变特征,且受挤压部位的层间界面将产生错动滑移;依托隧道断面最小安全排水率为0.66,隧道排水率低于0.8时衬砌最不利截面均位于拱脚附近;相比于增大二衬厚度或混凝土强度等级,优化衬砌结构断面形状更能提高其水压承载能力,且优化衬砌断面形状后的二衬通过增大厚度或混凝土强度来提高其水压承载能力的效果高于优化前。