应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

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。

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。

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。

泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅱ)：数值仿真和参数反演

进一步分析了第Ⅰ部分[1]提出的泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型。在连续损伤力学理论和比奥(Biot)理论的基础上,导出了考虑渗流-应力-损伤耦合的蠕变损伤有限元格式,建立了弹性预测、塑性修正、损伤修正-渗透系数修正的数值分析框架,编制了非线性有限元分析程序。根据监测的衬砌长期变形数据,采用优化反分析法获得了蠕变损伤模型中的待定参数,并应用于比利时核废料库施工过程中泥岩巷道围岩渗流-应力耦合过程、损伤演化以及长期稳定性分析,研究结果表明,泥岩开挖后渗透性明显增大,约为原岩的120倍,蠕变效应导致泥岩裂隙和渗透性自愈合,约3.5年后渗透性基本恢复到原岩的数量级,围岩中部的蠕变明显大于顶部和底部。研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义。

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。

考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析

高地应力和高(外、内)水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素。基于等效饱和多孔介质理论,将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料,并考虑各自的变形特性与渗透系数的动态演化规律,进行锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩与衬砌结构施工期和运行期渗流-应力全耦合分析。分析结果表明:施工期隧洞周边排水对开挖损伤区影响较大,内水外渗现象对地下水位和围岩结构的安全性影响不大,但内水外渗情况下隧洞的开挖损伤区对衬砌结构较为不利,将导致该部位混凝土出现拉损伤区和压损伤区,应对开挖损伤区采取一定的处理措施。

饱和海床土渗流-应力耦合损伤及液化破坏规律(Ⅰ)

基于重正化群理论在临界突变问题分析中的优势和岩土体的自相似特性,从海床土微观结构入手,引入三维颗粒堆积模型来描述孔隙渗流临界行为,找到了土体渗流与临界孔隙率的关系,给出了海床介质孔隙率与渗流发生的物理判别准则。在土体二元介质理论基础上,分析了饱和海床土宏观液化与微观强度的定量关系,构建了海床土体微单元破坏的重正化群模型,并对结构面断裂损伤临界概率进行了研究。研究结果表明:海床土液化是渗流-应力耦合场共同作用的结果,微单元体断裂损伤导致液化贯通带形成,进而引起海床土的宏观液化,液化贯通带的提出对研究海床土液化破坏规律有极其重要的意义。

温度-渗流-应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究

深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下,这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为,本文对取自某矿井的黏土岩开展温度-渗流-应力耦合特性及声发射试验研究,对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明:温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用,温度越高,围压越大,试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变;渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低-平衡-上升-回落四个阶段,体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点;高围压和温度作用下,岩石的声发射呈高能高幅值特征,渐变特征不明显,最活跃值越滞后,低温和低围压下,声发射具有明显的渐变特征,最大值出现在峰值附近;同等围压下,渗透损伤值随温度的升高而增加,围压越大,渗透损伤值越小,温度越高围压越大,损伤发展越均匀。

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。

基于损伤的渗流-应力耦合模型在工程地下水迁移研究中的应用

研究岩石破坏过程中的损伤演化规律以及与之相伴而生的渗透性变化规律,采用应变主轴、损伤主轴和附加渗透主轴一致的原则,建立了基于应变-损伤-附加渗透性、反映岩石强度变化非线性特征的损伤演化模型。该模型使得耦合计算过程物理意义清晰明了,并准确表达了耦合过程的非线性关系。

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。

地震作用下高面板砂砾石坝渗流-应力耦合研究

天然砂砾石料具有级配离散性差、间断性和施工易分离等特性,强震作用下大坝防渗体一旦发生破坏,将会带来不利影响。采用混凝土塑性损伤模型和堆石料广义塑性模型,对弱透水性高面板砂砾石坝进行动力有限元分析,确定面板损伤分布,进而计算坝体非稳定渗流场,建立以混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法,分析在非稳定渗流作用下,大坝应力和变形的变化规律。结果表明:坝体为弱透水时,地震结束后大坝在非稳定渗流作用下,坝体小主应力显著减小,面板产生向上拉伸、向外弯曲趋势的位移增量,面板部分区域损伤值变大。评价大坝极限抗震能力时,除了考虑地震结束时面板的损伤状态,还应进一步考虑面板破坏后非稳定渗流对应力场的影响。

页岩气储层压裂水平井气-水两相渗流模型

针对定量计算页岩气储层水平井压裂后含水对产气量影响程度的问题,应用渗流力学、油藏数值模拟及油层物理学等理论与方法,建立了考虑解吸-吸附、扩散、滑脱及应力敏感的双重介质气-水两相渗流模型,并进行了差分离散及方程组系数线性化处理,建立了数值模型。利用新模型对页岩气储层压裂水平井进行了气、水产量的预测,并对比分析了不同含水饱和度、压裂缝网参数、扩散、滑脱及应力敏感等对气井生产的影响。结果表明,原始含水饱和度决定产量回升幅度和稳产时间,原始含水饱和度越小,压裂液返排率对产量影响越大;当裂缝导流能力和缝网区域半长较大时,再提高其增产幅度会减小;扩散作用弱于滑脱作用,应力敏感作用要明显大于扩散和滑脱,增产稳产目标要重点考虑应力敏感。

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。

考虑宏细观耦合损伤的注浆加固体渗流-蠕变本构模型及试验验证

水利工程中蠕变效应的存在导致了工程在运营过程中频繁发生灾害,造成了严重的损失,因此成为影响水利工程长期稳定性的主要因素之一.为了有效地应对可能带来的工程灾害,注浆技术被广泛应用以延长水利工程的运营寿命.本文基于宏观-细观缺陷耦合的思想,建立了注浆加固后岩体的渗流-蠕变本构模型,然后利用ROCK岩石多场耦合试验系统进行了渗流-蠕变试验,揭示了不同注浆材料对裂隙岩体加固特性的影响规律,并对建立的渗流-蠕变本构模型进行了验证.研究结果表明:建立的宏观-细观耦合损伤蠕变模型能够综合考虑裂隙几何参数特性、力学参数特性和注浆加固效果等因素对蠕变的影响.同时,该模型从动态的角度考虑了渗流-蠕变过程中力学参数的变化以及渗透水压的影响,相较于传统西原模型具有明显优势.试验获得了含聚丙烯纤维PO42.5混凝土和硅溶胶加固后岩体的蠕变特性以及渗透性能的变化规律,同时证明了渗流-蠕变本构模型的准确性和有效性.这些研究成果为水利工程的注浆加固设计提供了理论依据.

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.

渗流中离子扩散作用对码头护坡整体抗滑的影响

根据土体的应力-渗流-离子扩散耦合方程组,在离子扩散的整个过程中,推算其整体滑动带,进而获得其整体稳定系数。其研究结果可为今后研究工作提供一定的基础,对码头护坡整体抗滑的计算有一定的参考价值。

周期性孔隙水压作用下砂岩损伤劣化特性研究

消落带砂岩由于受到周期性水压渗透的影响,其物理力学特性随时间损伤劣化,导致岸坡稳定性降低。开展了周期性孔隙水压力损伤砂岩的不排水三轴压缩试验,分析了砂岩强度、变形及脆性特征演化规律,讨论了细微观结构劣化机制。结果表明:砂岩峰值强度随着孔隙水压作用周次的增大而减小,且强度劣化度随围压增大逐渐降低。随着孔隙水压作用周次增大,黏聚力和内摩擦角分别呈现指数式衰减和线性衰减,其中黏聚力下降是强度劣化的主要原因。弹性模量、破坏应变和Tarasov脆性指数均随孔隙水压作用周次增大逐渐降低,而随围压增大具有明显增强效应。破坏模式由单斜面剪切破坏发展至共轭剪切破坏,破裂角由67.20°逐渐减小至62.05°。周期性孔隙水压作用在裂隙尖端导致的应力集中和应力疲劳加剧了砂岩内部结构劣化,且不排水压缩过程中的孔隙水压力的增长进一步加剧了砂岩的损伤劣化,而围压作用导致部分渗流通道闭合,降低了砂岩的渗流损伤。