基于TOUGH2-FLAC^(3D)耦合的三维地面沉降数值模拟及控制策略研究

地下水开采引发的地面沉降是一种多场耦合的复杂问题,土体变形过程中渗流与应力应变相互影响。采用部分耦合原理,通过渗流和变形过程中的相关状态变量来耦合成熟的商业软件TOUGH2和FLAC^(3D)进行三维变参数的地面沉降数值模拟研究,其中TOUGH2模拟渗流,FLAC^(3D)模拟土体变形,并以此为工具探讨地面沉降的控制策略。基于弹性模型承压含水层抽水的理想算例进行了变参数条件下的模拟计算,发现顶底板水平变形未被约束时水平位移不可忽略,其峰值距离抽水井有一定距离,且水平位移峰值大于垂向位移峰值;此外,由于地面沉降过程中渗透系数及孔隙率减小,导致近井区域渗流量增加,变参数模型位移量大于定参数。将以上方法应用于地面沉降控制策略研究,通过控制抽水流量及抽水时间,发现限制开采速率能控制沉降量,缩短抽水时间能控制沉降范围;对比脉冲式抽水及抽水—回灌常用地面沉降控制策略,发现抽水时采取合理的回灌措施能有效控制沉降量及沉降范围,而脉冲式抽水使得近井处弹性沉降量未得到明显控制,沉降影响范围反而更大。

基于FLAC 3D数值模拟的巷道支护优化设计研究

以大隆矿二水平S1E-1303运顺为研究对象,结合大隆矿历年来支护设计类型和国内外先进支护技术方案,采用FLAC 3D 5。0建立数值模拟模型,分析其巷道稳定情况;对深部动压影响区、构造压力带、软岩破碎带等特殊地质情况分析,对历年来常规支护设计方案的模拟及优化,优化形成的支护设计方案,有效地控制顶板下沉,使巷道围岩能最大限度地发挥自身承载作用,可以减少锚杆2500根/千米及配套树脂药卷等,具有较好的经济效益,可在今后的工程中推广采用。

基于FLAC3D的某水电站岩体倾倒变形过程数值模拟研究

我国西南高山峡谷地区地质作用强烈,倾倒变形岩体广泛发育,基于拉格朗日有限差分法的FLAC3D软件可对岩体倾倒变形过程进行数值模拟研究。建立了流变模型对澜沧江上游某在建水电站的一处倾倒变形体进行了研究,结果表明,在岩体自重和卸荷应力的长久作用下,库区陡立岩层会朝向临空位置发生倾倒变形破坏。这是一个长期的流变破坏过程。倾倒变形仅发育在边坡的浅表层,深部的岩体未发生倾倒,浅表层底部的岩层弯曲最为强烈,这些部位的岩层将最先发生折断,若折断面贯通,极有可能导致倾倒体整体垮塌滑动引发滑坡等灾害。在水电站建设中要着重考虑对倾倒变形程度严重的坡体进行支护,防止发生大规模的失稳破坏。

基于FLAC3D的深基坑开挖过程地表沉降及围护结构受力数值模拟研究

为了掌握基坑工程支护开挖中地表沉降及围护结构受力情况,以苏州市某商业建筑深基坑工程为背景,基于FLAC3D有限差分软件,对基坑支护开挖全过程进行了数值模拟计算分析。数值计算结果显示:在桩、挡墙开挖成孔过程中,由于突然卸荷,地层向孔内发生变形,有塌孔的风险;当桩、挡墙开挖与浇筑过程中,基坑外围5m范围内的地层沉降比较明显。基坑内开挖也出现5m范围内离基坑越近变形越小,5m范围以外离基坑越远变形越小。分层开挖厚度越大,地表沉降越明显。

基于FLO-2D数值模拟的不同降雨频率工况下八宝镇拱北槽沟泥石流运动特征及危险性评价

近年来,随着降雨量不断增加,泥石流爆发频率呈上升趋势,其运动堆积特性及防治工程措施直接决定泥石流危害程度及影响范围,也是影响泥石流危险度区划的关键因素。因此,对不同工况条件下泥石流堆积特征及危险范围预测具有较强的现实应用价值。FLO-2D作为一款专用于洪水和泥石流模拟的二维软件,能较完整地分析泥石流的运动状态特征,可用于模拟洪水灾害和风险评估,推算流体运动的流速及堆积深度,合理推估淹没面积。该文以拱北槽沟泥石流为例,通过开展野外详细调查,在查明泥石流物源类型、分布特征、物源储量与流域育灾环境的基础上,模拟分析其在不同降雨频率下(10%、5%、2%和1%)的泥石流运动特征,进而确定泥石流灾害威胁范围、堆积深度、流速等特征参数,并在此基础上采用泥石流强度指标对泥石流灾害进行危险性区划评价,为拱北槽沟泥石流的监测预警与风险防控提供技术依据,以此为该地区或者其他祁连山区城镇泥石流灾害防治及国土空间规划提供科学依据及参考建议。

基于有限元RFPA^(2D)数值模拟对上行开采可行性研究与应用

慈林山煤矿分上下可采煤层9号煤层和15号煤层,目前15号煤层局部已采完,造成上覆岩层产生移动,对上部9号煤层有一定的影响。为分析9号煤层的开采可行性,以慈林山煤矿的15号煤层为工程背景,采用RFPA^(2D)数值试验系统,建立15号煤开采的数值计算模型,动态分析15号煤层开采过程中上覆岩层及采煤面前后方上覆岩层破坏规律,得出9号煤层处于15号煤层裂隙带与弯曲下沉带的交界处的结论,分析认为9号煤层在15号煤层开采稳定后,可以进行开采,最终得出可以对9号煤层正常进行开采,并进行了工业性实践。通过对9号煤层正常开采时的超前压力数据进行监测分析,表明该围岩压力满足矿井的正常生产需要。

FLAC3D数值模拟在路基施工中的应用

为找出路基施工过程中的变形影响因素,运用FLAC3D软件进行数值模拟分析路基中心和坡脚的变形,研究在不同填土干密度、弹性模量和泊松比的条件下,路基中心处竖向沉降和路基坡脚处的水平侧向位移随路基填土高度的变化情况.研究结果表明:对沉降影响因素排序为干密度>弹性模量>泊松比,而对侧向位移的变化很小可以忽略不计.因此在满足规范要求的条件下,尽可能的选用干密度小的填土或提高路堤弹性模量,能够改善公路沉降变形.

FLAC3D数值模拟的边坡稳定性

为确保露天矿安全生产,避免因非工作帮滑坡所造成的巨大经济损失,对非工作帮边坡稳定性进行分析和评价.采用FLAC3D建立边坡数值模型,基于强度折减理论对边坡的稳定性进行数值模拟.研究其应力和位移分布特征,变形破坏和塑性区分布特征,揭示滑坡机理,验证极限平衡法的准确性.以第4勘探线中的H12钻孔作为基础的模型H12,得出其安全系数为1.263 01,大于采场边坡安全储备系数1.10,边坡稳定性良好.为提出合理边坡治理措施提供依据.

断续节理直剪试验与PFC^2D数值模拟分析

在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。

基于DEFORM 2D的纯铜管热挤压过程的数值模拟

通过二维建模软件建立管材立式挤压模型,采用DEFORM2D大型有限元数值模拟软件进行纯铜管热挤压过程的数值模拟,获得了不同挤压速度下变形材料内部的温度场、应力场、应变场及应变速率场的变化规律。分析结果表明,随着挤压速度的提高,变形材料内部的温升和等效应变速率明显提高;等效应力是先提高,而在高速挤压时又下降;等效应变则无明显变化。

煤岩组合体破坏过程RFPA^(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA^(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.

爆炸荷载作用下岩体振动特性的DE-FLAC^(3D)数值模拟方法

针对岩体爆炸数值模拟中爆炸荷载参数与岩体振动阻尼参数等计算参数难以确定的问题,将具有收敛速度快、易于实现和全局寻优能力强等优点的差分进化算法(differential evolution,DE)算法融入三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D)岩土工程数值计算程序,提出了爆炸荷载作用下岩体振动特性的DE-FLAC3D数值模拟方法.该方法从爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数的随机值出发,以岩体质点振动速度随时间变化过程的数值计算值与现场实测值的误差作为适应度,利用DE算法规则实现爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数耦合模式的合理进化,进而实现计算参数的快速自适应辨识.龙滩水电站地下厂房爆炸开挖振动试验数值模拟研究结果表明,该方法是可行的,显著提高了岩体爆炸效应数值模拟结果的精度.

磷矿地下开采地压规律的FLAC^(3D)数值模拟

以云南磷化集团有限公司晋宁磷矿2号坑口北采区深部矿体为工程背景,通过FLAC3D数值计算工具,对不同矿体厚度下深部磷矿体地下开采过程中采场、围岩的稳定性及地压活动规律进行研究。数值计算结果表明:①矿体采出后,采空区上覆岩体的自重力向周边新的支承矿壁点转移,在采空区上方形成卸压带;同时在其前方与后方两侧矿壁附近形成支承压力增压带。随着采场向前推进,超前支承压力随之前移,采场覆岩受采动影响的范围也在不断扩大。②倾斜条件下,矿体开挖后所形成的采空区上部覆岩与下部覆岩应力状态是非均匀、非对称的,整体上采场上部矿压显现程度比下部明显。③随着开采矿层厚度的增加,矿体开挖形成采矿区后,采场覆岩受采动影响的范围更大,而矿压显现的程度则减弱。采空区前方支承压力区域最大应力集中系数减小,塑性区范围增大。

柔性石笼挡墙土压力的PFC^(2D)数值模拟

使用国际上先进的颗粒流离散元程序——PFC2D,根据工程实际情况,建立了石笼挡土墙的PFC2D模型,使其发生向内和向外两种平移模式,测量土中相应深度的土压力,对整体进行了观测和研究。结果表明,(1)墙体向外平移时,在约1 m的深度范围内,各种位移量下的应力值比较接近,在5 m深度处,各种位移量情况下几乎同时达到侧向土压力和竖向土压力的最大值。(2)墙体向内平移时,在1.5 m的深度范围内,各种位移量下的土压力值比较接近而且与深度呈严格的线性关系;在2 m处,土压力都达到了极大值,之后土压力与深度呈现出明显的非线性,逐渐减小,从而提出了主动土压力和被动土压力的深度范围。

基于TELEMAC-2D和SWMM模型的城市内涝数值模拟

以广州长湴地区为例,基于SWMM和TELEMAC-2D模型构建一种新的耦合模型TSWM,通过历史暴雨事件验证、模型对比等方式评估了TSWM模型的适用性和可靠性,并对不同重现期暴雨开展了数值模拟。结果表明:TSWM模型能较准确地模拟研究区的内涝情况,可实现城市内涝精细化模拟;与基于SWMM和LISFLOOD-FP、WCA2D的耦合模型相比,TSWM模型可得到更为精细的模拟结果;由于排水管网系统标准偏低,研究区在极端暴雨情况下容易发生内涝,建议采取提高排水管网系统标准、构建泵闸联合调度方案、布设LID设施等措施降低暴雨内涝影响;TSWM模型在复杂城区内涝数值模拟方面具有良好的适用性和较高的模拟精度。

基于FLAC^(3D)的粉砂岩压缩蠕变试验数值模拟研究

基于FLAC3D,建立粉砂岩单轴压缩蠕变数值试验模型,调用自定义本构模型进行单轴蠕变数值模拟试验研究,探讨单轴压缩条件下不同应力水平粉砂岩蠕变特性。数值模拟试验表明,无论是应变量值还是蠕变整体变化趋势,数值模拟的结果均与室内蠕变试验结果十分相近,反映了所建立的数值分析模型和自定义本构模型开发的正确性和适应性。分析还表明,试件顶部的瞬时应变和蠕变均较试件底部明显,反映应力由上至下的传递过程。试件形状改变对轴向蠕变影响很小,而对径向蠕变的影响极为明显;同等条件下,长方体试件的径向蠕变明显大于圆柱体试件。试件的直径和高度的变化对轴向蠕变、径向蠕变影响均很小。所获结论对室内岩土蠕变试验有较好的指导意义。

岩石剪切破坏过程的RFPA^(2D)数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统,对岩石剪切破裂过程进行了数值模拟研究。将剪切岩石视为非均匀弹-脆岩石材料,模拟结果再现了岩石剪切滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程,剪断面是滑动形成的主要形式,并首先在试样一端出现,然后再形成由一端及里的剪断面扩展直至另一端最后产生剪断面破坏贯通,形成统一的滑动面,岩石剪切破裂面分形维数还对应着剪断面的粗糙程度和力学行为。

基于FLAC^(3D)群桩侧向动力特性试验与数值模拟对比研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文主要基于液化砂土中3×3群桩振动台试验,采用目前常用的大型有限差分软件FLAC^(3D)进行数值模拟研究,将模拟结果与试验分析结果进行对比研究。工况包括:不同峰值加速度的正弦波和El Centro波分别输入下的群桩在干砂和饱和砂土中的侧向动力响应特性,主要对基底台面、桩头承台的加速度与位移时程关系曲线进行对比分析。研究结果表明:随着正弦波峰值加速度输入的增加,群桩横向动力响应明显,尤其是当加速度为0.15 g时砂土发生液化,反应达到最大,数值模拟结果与试验吻合较好。地震波输入工况下也可以得到类似的结论,其中干砂与液化砂土的承台加速度、位移相对台面的均有所放大,但放大倍数不同。

基于PFC^(2D)软件的柿树沟泥石流运动过程数值模拟

为了解泥石流的启动及运动过程,以栾川县柿树沟泥石流堆积体为例,基于堆积体室内大型直剪试验指标,利用PFC2D模拟软件对其启动及运动过程进行仿真数值模拟,分析了不同工况下堆积体的运动速度场、应力场及位移场,研究了崩滑松散碎屑堆积物质启动、形成泥石流的过程和机制。结果表明,强降雨是柿树沟沟内松散堆积体启动形成泥石流的触发因素;中雨工况下,地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响,但堆积体整体形态基本无变化;暴雨工况下,泥石流沟上游的洪水迫使土石颗粒脱离堆积体表面,后缘表层土体首先开始运动,产生的推挤力不断推动前方堆积土体向前运动,坡面形态发生显著变化;暴雨时间越长,堆积土体的运动速度和位移也越大,最终导致堆积体发生连锁式破坏,形成泥石流。

基于FLO-2D模型的泥石流运动冲淤数值模拟

采用2维流变模型FLO-2D,经连续方程与运动方程,结合网格化的数字高程模型,选取陇南市武都地区清水沟、嘴子沟及段河坝3条泥石流沟为试验区.通过DEM在ArcGIS中转换为ASCⅡ格式输入至FLO-2DPRO软件中,建立流域模型,分析计算出各网格点的可能运动速度、淤积深度,并将模拟结果整合致GIS中.在GIS软件中分析可能淤积范围,通过对比2010年陇南"8.12"特大暴雨事件引发泥石流灾害灾情,验证了FLO-2D模型模拟试验区泥石流威胁范围的正确性,发现模拟结果与实际发生灾情威胁范围大致相符.