地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析

拟建西安地铁2号线穿越10条地裂缝,地裂缝活动将影响地铁2号线的安全运营。应用三维离散元程序3DEC建立三维计算模型,分析了裂缝带错动对地铁区间隧道盾构管线的影响,得出了不同错距工况下隧道衬砌的变形和应力。通过计算得知,当土体上下盘底部竖向错距由10 cm增大到93 cm时,引起的衬砌竖向变形量由0.712 cm增大到13.99 cm,且最大变形均发生在沿纵向约35~36m处,距裂缝带距离约为9.5~8.5m;引起的管道纵向最大拉应力则由0.65MPa增大到18.43MPa,最大压应力由0.611MPa增大到16.9MPa,且最大应力区与最大变形区一致。这一结论的获得可为地铁设计、施工及其安全运营提供科学的理论指导及设计依据。

基于3DGIS和3DEC的地下洞室围岩稳定性研究

三维地理信息系统(3DGIS)在可视化和建模方面具有独特的优势,而三维离散元程序(3DEC)是基于离散单元方法在处理结构控制型的工程围岩破坏问题中最成熟的技术之一。借助于3DEC内嵌语言FISH,将两者的优势结合起来,为水利水电工程中的地下洞室围岩稳定问题的咨询提供了有力的工具。

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。

复杂开挖条件下大断面洞室围岩的变形及力学特性研究

大型地下洞室的开挖施工往往面临复杂的地质环境以及复杂的施工程序，研究这种条件下围岩的应力和变形规律不仅有助于进一步认识岩体的力学性质，而且可以为大型地下工程的支护设计和施工提供重要的参考，因而具有一定的实际意义。地下洞室的变形及稳定性问题主要集中于顶拱围岩，以向家坝水电站地下厂房为例，采用三维离散元程序3DEC，研究了在复杂的开挖条件下洞顶围岩的位移和应力变化规律，将计算位移与实际监测结果进行了对比，提出适当的支护时机是系统支护滞后于掌子面约5～8m。

岩石力学参数对TBM掘进速率的影响分析

为分析岩石物理力学性质对全断面岩石掘进机(TBM)掘进速率的影响,根据南水北调西线工程中的围岩地质条件,利用三维离散元程序3DEC建立了TBM滚刀破岩三维仿真模型,分析了岩石力学参数不同时TBM掘进速率的变化规律,并用最小二乘法拟合了TBM掘进速率与岩石力学参数之间关系的直线图。结果表明,在一定范围内TBM掘进速率随岩石单轴抗压强度和弹性模量的增大而降低,随岩石泊松比的增大而增加,为南水北调西线工程引水隧洞TBM施工提供了数值依据。

不同形貌节理对应力波传播影响的数值模拟

用3DEC离散元软件对一维正弦纵波在无节理有限长及有一节理有限长岩杆中的传播进行标定,确定建模的单元网格尺寸、边界条件等参数。然后对一维正弦纵波在含量化的不同粗糙度节理面的岩杆中传播进行数值模拟,探究应力波穿过不同形貌特征的节理时的透反射规律。分析模拟结果发现:节理面粗糙度JRC值相同,相对节理初始法向刚度不同时,随着刚度系数的增加,透射过节理面的应力波越多,在α<0.5时,透射系数值增加较快;在α>0.5时,透射系数值增加较慢,逐渐趋近于1。同一刚度系数α值下,随着节理粗糙度JRC值的增加,透射系数增大,当α>1.5时,透射系数趋于稳定。

节理走向对TBM掘进速率的影响分析

为分析节理走向对全断面岩石掘进机(TBM)掘进速率的影响,基于南水北调西线工程中的围岩地质条件,采用三维离散元程序3DEC构建了TBM滚刀破岩三维仿真模型,分析了不同节理走向的TBM掘进速率的变化规律,并用最小二乘法拟合了TBM掘进速率与节理走向间的直线图。实例计算结果表明,TBM掘进速率与节理走向存在规律性变化,可为分析南水北调西线工程施工监测提供依据。

页岩气水平井复杂缝网压裂模拟

为了更真实地模拟页岩储层水平井体积压裂,采用擅长处理非连续结构问题的离散元方法,利用三维离散元程序(3DEC)及其内嵌Fish语言建立表征天然裂缝的离散裂缝网络(discrete fracture netuork,DFN),并考虑流固耦合建立水力裂缝与复杂DFN相互作用的页岩水平井体积压裂数值计算模型。在缝网模型的理论基础上通过模拟计算,观察水平应力差异系数、杨氏模量、泊松比和天然弱面胶结强度等影响因素对于复杂缝网模型所形成的影响,结果表明:水力裂缝会沟通天然裂缝产生分支缝,储层内部容易形成充分裂缝网络的条件是具有较小的水平应力差异系数、较大的杨氏模量以及较小的泊松比,同时杨式模量对裂缝在各方向上的延伸有着促进作用,泊松比则是决定裂缝破裂所需能量大小。模拟结果为进一步认识页岩气水平井体积压裂裂缝行为研究提供了技术指导。

页岩储层双缝相交模型压裂模拟研究

分析了页岩储层天然裂缝破裂的原因,建立了表征天然裂缝的离散裂缝网络模型(DFN),采用三维离散元程序对页岩储层水平井进行水力压裂模拟,考察了裂缝相交角、水平应力差异系数、杨氏模量及泊松比对双缝相交模型的影响。结果表明:裂缝宽度随裂缝相交角度的增大而减小,合理的相交角度更有利于水力裂缝张开天然裂缝,形成更加复杂的缝网。水平应力差异系数为0～0. 3时,水力压裂可以形成充分的裂缝网络;水平应力差异系数为0. 3～0. 5时,水力压裂在净压力足够高时可以形成较为充分的裂缝网络;水平应力差异系数大于0. 5时,水力压裂很难形成裂缝网络。较大的杨氏模量更利于裂缝扩展形成缝网,泊松比大的地层所需破裂压力较低。模拟结果为进一步研究页岩储层体积压裂裂缝行为提供了技术指导。

基于3DEC的断层孤岛工作面回采矿压显现规律的数值模拟与防治措施

为了对含断层孤岛工作面的巷道围岩稳定性和顶煤冒落性进行有效控制,以某矿237工作面地质条件为工程背景,采用3DEC软件模拟分析了工作面回采过程中的应力场分布状态及变化规律,在此基础上,提出了冲击地压综合防治措施。结果表明:受上覆岩层运动的影响,进、回风巷附近的煤柱以及工作面前方20 m范围内的煤体应力显现明显;当工作面回采至断层附近处,迅速形成高应力集中,极易诱发冲击地压;经实践检验,所采取的冲击地压综合防治措施取得良好的应用效果,保障了矿井的安全生产。