低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明:该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明:极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。

基于渗流-应力-损伤耦合的岩溶地区基坑开挖稳定性

针对岩溶地区基坑工程施工过程中渗流(H)-应力(M)-损伤(D)耦合导致的岩石失稳问题,建立基于Hoek-Brown强度准则的渗流-应力-损伤耦合模型和算法。首先,根据损伤理论引入损伤因子对H-B准则进行修正,给出应力场、渗流场的控制方程与渗透性演化方程,实现渗流-应力-损伤的完全耦合。然后,给出该模型的求解算法。与石灰岩三轴室内试验与模拟的计算结果对比表明,两者拟合较好,验证了模型的准确性。最后,将该模型用于大连地铁梭鱼湾南站基坑工程的开挖稳定性分析,分别计算了耦合和非耦合条件下地表沉降和地下连续墙变形,结果表明,考虑耦合的变形值明显大于非耦合的变形值,并且更贴近现场监测数值。同时,为确定围岩最小防突层厚度,分别计算防突层为2 m、4 m、6 m、8 m时的损伤区分布特征,这对实际施工时的风险预测具有一定的意义。

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。

基于应力-渗流-损伤耦合模型的重力坝三维水力劈裂数值模拟

裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分。目前,重力坝水力劈裂的数值模拟绝大多数是二维的,对于坝体上游面经常出现的竖直裂缝的三维水力劈裂的数值研究几乎为零。本文提出一种应力-渗流-损伤耦合模型,用于混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟。采用该耦合模型,模拟了一个内置裂缝的圆柱体试件的水力劈裂,数值结果与试验结果吻合很好,验证了所提耦合模型的合理性。在此基础上,采用该耦合模型,进行了国内某混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟,数值模拟得到的损伤区域与设计院根据安全监测实测结果得到的范围基本吻合。研究结果表明:本文耦合模型可以方便、有效地进行重力坝三维水力劈裂的模拟,评估表面裂缝的危险程度。

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究。结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:(1)建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序。(2)基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序。(3)针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。(4)在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数。(5)根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数。(6)在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性。

基于DEPSO混合智能算法的岩土体应力-渗流-损伤耦合模型多参数反演研究

随着复杂岩土工程问题研究的深入,开展关于岩土体应力-渗流-损伤多参数反演问题的研究具有显著意义.引入差异进化算法（Differential Evolution Algorithm,DE）—粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）混合智能算法DEPSO到岩土工程应力-渗流-损伤耦合问题参数反演研究之中,该混合智能算法可以保证两个种群的相互协调开发能力和探索能力之间的平衡,维持整个种群的多样性,降低陷入局部最优或早熟停滞的风险.通过两个经典测试函数,针对DEPSO、PSO以及DE这3种算法的收敛性、鲁棒性进行对比分析,并讨论在DEPSO算法中DE控制参数、差异策略的控制作用.将岩体应力-渗流-损伤耦合模型与DEPSO混合智能算法结合起来,建立耦合模型多参数反演方法,并采用C＋＋编制程序,构建基于DEPSO混合算法的耦合多参数反分析平台.依据应力-渗流-损伤耦合正分析计算的结果作为＂假想实测值＂,进行多参数反演分析,以及方法和程序的验证.研究结果表明：所建立的基于DEPSO混合算法的耦合多参数反分析方法,可以同时反演多个力学参数和渗透参数,能够较好地解决岩土工程多参数反演问题,在计算效率方面高于单一智能算法,具有较好的反演精度和鲁棒性,是一种新颖和高效的反分析方法,可以更好地为复杂环境岩土工程动态施工提供帮助和依据.

裂缝性页岩储层水力压裂多簇裂缝扩展的FEM-DFN数值模拟

为有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝的随机扩展并准确描述其拉张、剪切和混合损伤行为,建立渗流-应力-损伤耦合的裂缝扩展有限元-离散裂缝网络模型,并通过黏性主导的解析模型进行验证。研究不同天然裂缝逼近角、簇间距、水平应力差和压裂泵注排量下的多簇裂缝扩展数值模拟,探讨天然裂缝对水力裂缝扩展的影响机制。研究表明:(1)水力裂缝与天然裂缝主要存在水力裂缝穿过天然裂缝、水力裂缝开启天然裂缝和水力裂缝被天然裂缝阻止3种相互作用机制;(2)随逼近角越大,天然裂缝越容易使水力裂缝扩展方向发生偏转甚至阻止水力裂缝扩展;(3)簇间距、水平应力差和泵注排量的提高均能在一定程度上促进多簇裂缝扩展的均匀程度。本文模型能更加准确地描述水力压裂多簇裂缝的扩展行为,可为裂缝性页岩储层的水力压裂数值模拟提供新手段。

横观各向同性岩石力学-化学-损伤耦合有限元分析

该文基于层理性岩石的水化作用和连续损伤特性,建立力学-化学-损伤耦合的有限元(FEM)求解方法,开展含钻井孔岩石的井壁应力和围岩损伤演化分析。该文发展横观各向同性Biot本构关系,采用Weibull分布函数表征岩石的非均质性;考虑水化作用引起的损伤,结合当前应力状态的应力损伤得到损伤张量,对弹性模量和渗透率进行损伤分析,实现层理性岩石在水化和荷载作用下的连续损伤演化,形成一套渗流-应力-化学-损伤(HMCD)耦合分析方法。该文给出数值算例,将含损伤横观各向同性模型用于研究层理性岩石的水化特性,表明岩石的非均匀性和水化作用对井壁应力解答具有重要影响,该有限元求解方法可对岩石水化、损伤进行可靠、有效的数值分析。

潮汐循环作用下海水入侵模型的现状及展望

针对潮汐循环作用下海水入侵模型的问题,综述了目前国内外海水入侵模型的研究现状,探讨了流固耦合效应和潮汐时域运动效应对海水入侵的影响,指出了建立潮汐循环作用下海水入侵的渗流-应力-损伤-对流扩散多场耦合模型,并考虑潮汐循环加载、岩土非均匀性和岩土损伤与对海水入侵之间的关系,是今后海水入侵模型的主要研究方向。

深层页岩油水平井密切割裂缝均衡扩展数值模拟——以胜利油田YYP1井为例

中国页岩油储层非均质性强、粘度高和可改造性差,水平井分段多簇射孔体积压裂难以形成复杂的裂缝网络,单缝"缝控储量"低,必须寻求新的工艺突破。通过增加单个压裂段内的射孔簇簇数,使多个射孔簇裂缝在射孔段内均衡扩展,对页岩储层进行密切割,实现页岩油储层的充分改造,是中国页岩油高效开发的关键。考虑数千米长压裂管柱与射孔孔眼的摩阻以及多裂缝之间流体的竞争分配,建立页岩油水平井密切割多裂缝动态扩展的渗流-应力-损伤模型,并通过现场压裂施工数据验证其正确性。根据胜利油田页岩油储层的地质工程特征,开展射孔簇簇数、射孔孔眼数量、压裂施工参数等对多裂缝流体流量分配、应力干扰及裂缝几何形态影响的数值模拟研究发现:单簇裂缝扩展时,裂缝诱导应力最优波及距离为10 m左右;簇间距为10 m时,三簇裂缝均衡扩展射孔密度为20孔/m,施工排量为12 m^(3)/min,压裂液粘度为30 mPa·s;4个射孔簇时,压裂液均匀分配和裂缝均衡扩展的簇间距为10 m。此项研究为胜利油田页岩油勘探开发的突破奠定了理论基础。

低透煤层水力压裂促进瓦斯抽采模拟与试验研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大、工作量大、效率低等问题,采用水力压裂技术促进煤层瓦斯抽采。在多场耦合和弹性损伤理论基础上,建立煤层损伤-应力-渗流耦合模型,数值模拟马堡煤矿15108工作面水力压裂及瓦斯抽采过程,分析煤层弹性模量、渗透率和瓦斯压力的变化规律,确定压裂和抽采关键参数,并据此开展工程试验,对模拟结果进行验证。结果表明:高能压裂液能使煤层破裂,渗透率急剧升高,加快瓦斯向抽采钻孔运移;随着压裂时间增加,压裂损伤范围逐渐扩大;模拟得出水力压裂10 000 s时,2个压裂孔间的损伤区在抽采孔处贯通,压裂损伤范围达14 m;现场压裂试验后,瓦斯抽采平均和最高纯量分别达到63.79和126.57 m3/d,是未压裂的9.65倍和7.23倍,透气性升高了67倍。

含孔岩体破裂过程的无单元法数值模拟

根据岩体损伤程度对其渗透性和强度的影响,利用定义的损伤变量建立了应力-渗流-损伤的耦合分析模型.综合考虑应力、渗流、损伤之间的相互作用影响,模拟分析了含孔岩体在不同水压力作用下破裂的过程.分析表明,内水压力是促使裂纹扩展的一个重要因素,内水压力增加可以使原来停止扩展的裂纹重新扩展或者使原来闭合的裂纹重新张开,而且裂纹张开度的变化将导致裂纹内的渗流特性发生改变.

近陷落柱深埋巷道掘进突水灾变演化规律研究

为研究深埋巷道掘进侧穿通过陷落柱时的突水灾变规律,以东庞井田2903工作面回风顺槽为研究对象,基于围岩应力-损伤-渗流耦合模型,采用FLAC3D软件研究了巷道掘进过程中陷落柱周边岩体位移、塑性区、渗透率以及涌水量的时空演化特征。在此基础上分析了不同陷落柱水压、陷落柱与巷道最小净距对陷落柱突水规律的影响。研究结果表明:近陷落柱深埋巷道侧穿通过陷落柱时,其近陷落柱帮以及顶底板位移会往陷落柱方向大幅扩展,最终导致陷落柱与巷道之间岩体发生整体滑移失稳,引发严重的突水灾害事故;近陷落柱深埋巷道掘进过程中,其突水特征具有滞后性、突发性以及大体量性;陷落柱水压对邻近巷道岩体塑性区扩展与导水裂隙通道形成具有明显的诱导作用,当水压超过临界值时,陷落柱与巷道之间的岩体将被冲出,其涌水量呈现跃迁式增长;陷落柱与巷道最小净距越小,陷落柱向巷道内发生突水的时间节点就越靠前,其涌水量也相对越大。