考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。

高铁海底隧道矿山-盾构对接段渗流应力耦合特征研究

矿山法与盾构法水下对接施工是海底隧道修建的关键技术难题,明确渗流-应力耦合特征是隧道对接段建设和运营安全的重要保障。采用有限元软件对现场对接施工方案进行三维数值模拟,基于数值模拟结果,分析了隧道不同施工区段的渗流特征、位移变形和应力变化规律,揭示了隧道矿山-盾构对接段施工对围岩扰动的渗流-应力耦合机制。结果表明:隧道开挖后,围岩中的孔隙水向隧道洞周及开挖面汇集并不断补给,导致孔隙水压力减小,并形成降水漏斗,隧道洞周渗流速度增加,在开挖阶段涌水量较大;受水力梯度影响,拱底处孔隙水压力最大,施工可通过设置排水措施,进行引排泄压;隧道断面开挖时,位移变形产生突变,受开挖面排水泄压影响,在隧道断面开挖前,拱底处产生竖向位移沉降;相较于盾构法,矿山法施工的扰动程度更大,在不同施工段落区段,采用矿山法施工的开挖断面主应力分布一致。研究可为海底隧道矿山法与盾构法水下对接工程安全性评价提供参考。

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。

软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析

对盾构出洞口涌水涌砂灾害问题作了分析。利用Midas-GTS软件,建立了盾构出洞施工的有限元模型。考虑盾构出洞施工的渗流-应力耦合效应,研究了盾构工作井外加固土体前方高水位工况下,地下水绕加固土体下卧土层的渗流规律以及加固土体前方原状土的沉降规律。研究结果表明,在假定井外加固土体完全隔水情况下,洞门涌水涌砂灾害的发生与否受到土体加固长度、井外地下水等因素影响;土体加固长度的增加对工程安全有利,但成本较高;地下水位的降低能有效减小盾构出洞洞门涌水灾害的发生,需综合考虑工程安全性、经济性和工期等来确定合理的施工参数。

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型。它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分。固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦合模型可以避免由于不连通裂隙(孤立裂隙)存在所导致的收敛性问题;假设只考虑库水涨落和降雨的最终状态,裂隙渗流产生的水头分布和由库水涨落所引起的水头改变作为孔隙渗流的变边界条件,从而实现孔隙渗流场和裂隙渗流场的耦合。典型算例计算结果表明,基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型对于库区古滑坡的研究是很有效的。

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。

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。

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型:等效连续介质模型、裂隙网络模型、双重介质模型、断裂力学模型、连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑,着重对渗流场的处理,后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入,着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍,指出了这些模型的优缺点与适用范围,给出了一些有代表性的研究成果,并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。

基于FLAC数值模拟的边坡渗流应力耦合分析

根据渗流场以及渗流场与应力场耦合分析的基本原理、基本控制方程和数学模型,以通用有限差分法软件FLAC为分析平台,对鞍千矿业许东沟采场一期与二期境界边坡进行了考虑渗流影响的稳定性分析。流固耦合模拟分析表明顺倾层状结构的绿泥石英片岩是影响边坡稳定性的控制性因素,稳定性较差。绿泥石英片岩边坡失稳问题在二期境界扩建设计中依然存在,区别是生产初期形成的混合岩边坡稳定性较好,但当绿泥石英片岩开始揭露后边坡失稳问题依然会出现,并且牵引上部混合岩体出现整体滑动的风险很大。建议对二期扩建的境界边坡设计进行局部调整,以保证矿山的安全生产。

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.

基于渗流应力耦合的深基坑工程渗流场与变形数值模拟

基于渗流-应力耦合的Biot三维固结有限元方程,对深基坑工程进行数值模拟。结果表明,地下连续墙的设置有效降低了基坑底部的水力梯度,有利坑底稳定。同时,随着开挖深度增加,坑底隆起变形、围护结构水平位移和地下连续墙承受的主动土压力均随之增大,围护结构最大水平位移点深度和地下连续墙反弯点位置逐渐下移。与工程实际规律吻合较好,可为类似工程借鉴。

各向异性岩体渗流应力耦合模型

基于流固耦合力学理论,提出在应力主轴与渗透主轴非重合情况下,渗透张量随应力水平的变化规律,建立各向异性岩体的渗流应力耦合模型,通过算例分析,验证了模型的可靠性,所建模型在实际工程问题中具有重要的理论意义和指导价值。

基于渗流应力耦合的基坑降水及开挖对邻近桥桩的影响分析

城市涵洞建设下穿高架桥区域时,涵洞深基坑施工会对周边土体和临近桥梁下部结构产生影响.以福州某下穿高架桥涵洞深基坑工程为背景,基于渗流应力耦合理论和修正摩尔库伦三维模型,借助有限元软件对降水条件下的深基坑开挖过程进行模拟,结合现场监测信息反馈进行分析.分析了基坑降水及开挖过程地表沉降及邻近高架桥桩水平位移和竖直沉降分布规律.为探索基坑施工降水最佳模式,减少降水带来的影响,模拟过程对比了一次降水和分次降水条件下的最终地表沉降和高架桥桩的变形.结果表明:基坑降水开挖过程地表沉降沿基坑开挖垂直方向呈"勺形"分布,呈现出两头小中间大的趋势;邻近基坑的桥墩桩身水平位移随深度的增加而减小,远离基坑的桥墩桩身水平位移随深度的增加先增大后减小,且距离基坑较近的桩体水平位移较大.且每一次开挖后地表沉降和桩身水平位移都增加,增加的幅度随着开挖深度变小;现场监测数据略大于有限元结果,但变化趋势基本一致,表明数值模拟具有良好的适应性;基坑降水对坑外地表沉降及桥桩变形影响显著,分次降水方案可一定程度上减少基坑降水引起的地表沉降和桩身水平位移,类似基坑降水施工可通过分次降水方案控制沉降影响.

基于渗流应力耦合的导流洞封堵期结构安全分析

通过建立复杂三维渗流场模型,对导流洞整体三维渗流场特性进行分析;同时基于渗流—应力耦合模型,应用空气单元模拟导流洞渗流场分析中的排水孔效应,采用三维弹塑性非线性有限元法对导流隧洞开挖、支护、下闸蓄水及封堵期的围岩稳定及结构安全性进行了全面仿真计算分析。结果表明,采用空气单元可以有效模拟排水孔的排水效果;在顶拱围岩设置排水孔可有效降低洞周围岩的外水压力水头,改善支护结构的受力状况。

分形介质饱和渗流应力耦合数值模拟研究

基于介质骨架、固体颗粒以及水是可压缩的这一假设,推导出饱和的渗流应力耦合控制方程组。采用加权残值法对耦合方程组进行有限元离散,并推导相应的弹塑性矩阵。对耦合计算中的渗透系数分形模型展开讨论,综述采用分形维描述多孔介质和裂隙介质渗透系数方面研究的进展。最后,在给出的固结算例中采用一个较为实用的分形渗透系数模型,该模型可模拟渗透系数随介质变形而变化。数值计算的结果显示出良好的规律性,可以提高对耦合试验观测现象的理解。

岩体渗流应力耦合作用研究综述

系统阐述了岩体渗流应力耦合作用的研究现状与进展,探讨了渗流应力耦合模型的建立方法及解耦途径,论述了单裂隙面耦合特性的研究方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较。

淋溪河水电站大野坪滑坡体渗流应力耦合分析

软弱夹层的渗流、应力耦合作用是影响滑坡体稳定性的主要因素。为正确评价含软弱夹层的大野坪滑坡体的整体稳定性,基于Biot固结微分方程,采用虚位移原理,按照Goodman单元的形成格式,引入Desai单元控制嵌入的思想,构造了二维4节点耦合薄层单元,给出了能够模拟滑坡体蠕变特性的弹黏塑性本构模型,编制了相应的有限元程序,并用孔压实测数据检验了程序的正确性。同时,对大野坪滑坡体处于正常蓄水位和水位骤降两种工况的渗流场、应力场进行了非线性有限元耦合分析。结果表明:正常蓄水位,滑坡体处于稳定状态;而水位骤降工况,使滑坡体中前部孔隙水压力、位移、剪应力水平等均有大幅度地提高,塑性区沿着软弱夹层向上也有较大发展,致使滑坡体有可能沿着软弱夹层在中前部发生局部折线滑动,对滑坡体的稳定性极为不利。最后,采用刚体极限平衡法,对耦合分析的结果进行校核,两者结论一致。该研究成果为全面评价淋溪河水电站建设的可行性提供了重要的理论依据,建立耦合单元研究软弱夹层耦合特性的方法,为其他含软弱夹层的滑坡体的稳定性评价提供了有益的借鉴。

三峡库区黄土坡滑坡库水位与降雨联合作用渗流应力耦合的数值模拟

以三峡库区黄土坡滑坡为研究对象,通过野外调研与监测,利用FLAC有限差分软件建立了黄土坡滑坡在库水位与降雨联合作用下的渗流应力耦合数值分析模型,对不同工况下黄土坡滑坡的渗流应力耦合作用进行数值模拟分析,并探讨黄土坡滑坡的复活机理。结果表明:滑坡体前缘300m内受库水位的影响较大,坡体内的渗流应力耦合作用明显,在工况一及工况二下,由于库水位的下降使滑坡体内的地下水位线下降,并且伴随着大暴雨,滑坡体内的孔隙水开始向长江排泄,滑坡体出现明显的变形;在工况三及工况四下,由于库水位的上升使滑坡体内的地下水位线上升,并且随着降雨量的减小,滑坡体内出现了反向的渗流作用,加强了滑坡体的稳定性,使滑坡重新回到了相对稳定的状态。

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明:顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。