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。

基于应力-渗流耦合的岩溶隧道衬砌安全性分析

文章以某跨越岩溶地貌的公路隧道为依托,运用FLAC 3D有限元差分软件构建应力-渗流耦合及普通比对模型,通过分析服役公路隧道初支和二衬等结构的受力特性,计算支护结构安全系数,评价隧道结构安全性,对比分析实际监测数据,以验证数值模拟的可靠性。结果表明:考虑应力-渗流耦合效应,初期支护结构与二次衬砌结构的安全系数均有所降低,初期支护结构及二次衬砌结构的拱脚处分别可能发生受拉破坏、受压破坏,应力-渗流耦合模型的二次衬砌结构外侧土压力数值模拟结果更贴合实际情况,更具备可靠性。该结论可为类似岩溶隧道衬砌结构的安全性分析提供参考。

节理粗糙度对应力-渗流耦合特性影响试验研究

通过对3种不同粗糙度的人造节理试件进行压剪条件下的应力-渗流耦合特性试验,分析了剪切应力、法向位移、节理水力开度及透过率在剪切过程中随剪切位移变化的趋势和规律,获得了节理粗糙度对应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理表面粗糙度是节理特性中对岩体力学和水力学性质有重要影响的指标之一,当节理面在开始产生较小的剪切位移时,节理的应力、位移和水力开度及透过率等特性会产生较大变化,而节理表面粗糙度越大,对节理应力-渗流耦合特性影响越明显。

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。

充填管袋堆积体应力-渗流耦合模型试验

为探讨充填管袋堤坝管袋堆积体渗透各向异性及应力-渗流耦合关系,采用室内大尺度应力-渗流耦合模型试验,研究了多个管袋搭接形成的堆积体采用不同布置方式时上覆应力对管袋堆积体渗透特性以及渗透各向异性的影响。结果表明:管袋间接缝是堆积体渗流的主要通道,管袋按接缝平行渗流方向布置时,堆积体渗透系数远大于垂直方向布置,且易发生渗透破坏;随上覆应力增加,管袋堆积体的渗透系数逐渐减小,渗透各向异性逐渐增强,但不同布置方式时上覆应力的增加对堆积体渗透性的影响程度不同。

基于应力-渗流耦合的保护层开采瓦斯渗流特征数值研究

保护层开采改变了围岩应力分布状态,引起煤体内裂隙发生收缩或膨胀,导致煤体渗透率发生改变。本文以平煤集团某矿煤层群为研究对象,利用数值软件Flac3D建立保护层开采应力-渗流三维数值模型。根据保护层开采后不同位置处应力分布特征将采场沿纵向划分为"全应力卸除区"、"竖直应力卸除区"、"应力集中区"和"原岩应力区"。分析了不同区域内瓦斯渗流特征,研究结果为被保护层卸压瓦斯治理提供了理论指导。

煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测

矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区,基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性,对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正,提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验,结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型,分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律,并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响,应力场及渗透性发生改变,且渗流场的扰动范围与应力场相比较大,渗透性的变化在不同方向上具有差异性,渗透系数在水平方向上的影响范围小,变化量大。在垂向上的影响范围大,但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现,试验模型分层位间距为l1=10 m,l2=30 m,l3=150 m及隙宽组合b1=0.05 m,b2=0.01 m,b3=0.005 m时,较为符合研究区实际工程情况。最后,基于离散元软件裂隙渗流模型,结合模型间距及隙宽组合形式,对裂隙应力-渗流耦合计算模型的可靠性进行探讨,模拟结果与裂隙应力-渗流耦合模型计算的结果基本一致。

岩体水力压裂应力-渗流耦合近场动力学模拟

裂隙岩体应力-渗流耦合机制是油气开采、地应力测量与地质灾害防控等岩土工程活动的理论基础。基于近场动力学非局部作用思想提出了物质点双重覆盖理论模型,通过将近场动力学在模拟固体材料变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合,采用“混合”时间积分方案,构建了流体压力驱动条件下裂隙岩体应力-渗流耦合的常规态型近场动力学模拟方法,并将其应用于空心圆柱体注水试验模拟,揭示了水力裂隙起裂、扩展和贯通的作用机制,通过与室内试验及传统数值方法计算结果对比验证了模拟方法的有效性。模拟结果显示,空心圆柱体注水试验过程中岩体的变形和破坏完全是由水力驱动的,水力裂隙的产生是随机的,不需要指定裂隙扩展路径,并且水力压裂过程中致使试件破裂的能量存在积蓄-释放过程,应用近场动力学方法可以较好地捕捉该现象。

应力-渗流耦合作用下井壁混凝土力学性能试验研究

为研究应力-渗流耦合作用下井壁混凝土力学性能变化规律,配制出两种强度等级井壁混凝土,设计渗透压为4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa,开展三轴耦合渗透性试验。结果表明:相同围压作用下,随着渗透压增大井壁混凝土峰值强度降低、割线弹性模量减小;相同渗透压作用下,随着围压增大井壁混凝土峰值强度增大。渗透压对混凝土峰值强度有一定影响,但起主导影响的是围压。同时将井壁混凝土应力应变全过程渗透率变化情况划分为四个阶段,建立了相应的概念模型用于描述各阶段力学行为。

地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。

高应力-渗流耦合作用下不同节理产状对岩体渗流及其塑性区的影响

为探讨高应力-渗流耦合作用下不同节理产状对隧洞岩体损伤破坏的影响,基于隧洞高应力、渗流现场监测成果,采用三维离散元软件建立应力-渗流耦合下的节理岩体数值模型,分析节理岩体开挖后渗流场的分布特征,以及不同节理产状对围岩渗流模式、塑性区破坏的影响。结果表明:1)节理倾角对渗流场的分布形态起主导作用,开挖后隧洞渗流场呈“漏斗状”,随倾角方向发生偏转,形成与之平行的“斜漏斗”,且当倾角越陡,围岩破坏面积越大。2)节理间距对渗流场的变化幅度起主导作用,整体呈现先增大后减小、最后趋于稳定的趋势,且节理间距每减小1/2,塑性区面积增大10.29%。3)节理初始隙宽的不同会改变节理面的渗透性,且沿径向14 m内的隙宽发育主要受高应力-渗流耦合作用影响。

基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

渗流—应力耦合下隧道爆破开挖对邻近水坝影响因素分析

为研究隧道爆破施工作用下邻近水库大坝的安全性,以浙江义东高速公路防军隧道出口段麻车坑水库为研究对象,通过理论分析阐述了大坝的振动破坏过程,利用有限元软件MIDAS GTS NX数值模拟的手段,探讨了不同爆破炸药量、爆心距、坝前水位变化对水库大坝稳定性的影响,揭示了水库大坝应力与振速的变化规律,并进一步引入Morris筛选法对各因素的影响程度进行评价分析。研究结果表明,影响水库大坝稳定性控制变量因素的主次关系为炸药量>爆心距>坝前水位;水库大坝的应力峰值与振速峰值随着隧道炸药量的增大、坝前水位的增高、爆心距的减小而增大;隧道爆破施工时,可以采取提前排放库水、控制炸药量及爆心距等方式使水库大坝受到的损伤降到最低,研究结论可为邻近隧道爆破施工水库安全防护提供参考与借鉴。

岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型

传统渗流-应力耦合模型仅考虑土体的各向同性特征,忽略了工程中应力与渗流的非线性影响,导致计算结果与实际情况偏差较大,由此,设计一种岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型。搭建测试装置,利用瞬态试验法测定岩土基坑周围土体渗透率,分析岩土基坑周围土体基质块微观结构,得到土体变形方程并求解;从宏观角度分析土体应力,得到应力边界的面力结构,构建土体渗流-应力耦合模型。根据实际情况设定工程边界条件,选择某建筑工程中岩土基坑作为分析实例,测试结果表明,该模型计算结果与实际情况的误差低于0.2 m,可以为岩土基坑开挖提供参考。

渗流-应力耦合下侏罗系红砂岩力学及渗透特性试验研究

三峡库区广泛分布侏罗系红砂岩,在水库运行期间红砂岩的渗流-应力耦合特性关乎库区内多数滑坡和岩质边坡的稳定性。借助岩石多场耦合三轴试验系统,对三峡库区侏罗系红砂岩开展了不同围压、不同渗透压下的三轴压缩试验,系统研究了红砂岩的三轴压缩力学特性和渗透率演化特征。研究结果表明:(1)红砂岩的峰前应力-应变曲线可分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段和非稳定发展阶段。红砂岩的力学参数与渗透压的关系呈负相关,与围压呈正相关。(2)随着围压升高,红砂岩的破坏模式由张拉破坏过渡到剪切破坏。(3)不同渗透压下,渗透率曲线呈平稳发展→缓慢上升→快速上升3阶段演化规律;不同围压下,渗透率曲线先降低后升高。(4)从能量角度分析了渗透压和围压对岩石的作用,验证了渗流对岩石的劣化效应以及围压对裂纹发展的抑制作用。本试验对鲜有报道的侏罗系红砂岩的强度、变形和渗透特性做了系统的研究,对渗流-应力耦合课题有补充意义。其工况根据三峡库区边坡岩体的应力水平来确定,试验结果对分析库区边坡稳定性具有指导意义。

复合地层超深竖井稳定性精细化渗流-应力耦合分析

文章采用三维精细化渗流-应力耦合分析,对复合地层超深竖井稳定性进行评价。采用接触单元模拟地连墙与岩体间、地连墙间的相互作用效应,采用实体单元精细模拟导墙、冠梁及环梁、地下连续墙、混凝土衬砌以及防水隔墙等结构,计算分析考虑了导墙施工、地连墙施工、竖井内管井降水、上部岩层开挖、下部岩层开挖等施工全过程。结果表明,外围地表变形主要由管井降水和地表荷载所致,下部硬岩段开挖对地下连续墙的变形影响较小,硬岩段锚杆和喷层应力较小,围岩稳定性较好。

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。

高放废物处置库黏土围岩温度-渗流-应力耦合数值分析

深地质高放射性废物处置库运营过程中,围岩通常处在复杂的温度-渗流-应力多场共同影响的地质环境中,在温度-渗流-应力耦合作用下,合理地确定高放废物处置库硐室间距范围对处置库设计和长期安全稳定性评价尤为重要。基于国内外研究资料,针对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩,使用FLAC3D有限差分软件模拟计算了4种不同的硐室间距,并通过对围岩温度场、渗流场、应力场和变形场进行对比分析,对高放废物处置库硐室间距进行了优化。结果表明:在温度-渗流-应力三场耦合作用下,高放废物处置库黏土围岩相邻硐室间距最优设计值为10~12 m;当硐室间距小于10 m时,废物罐中心温度峰值超过了最高温度设计值100℃,当硐室间距大于12 m时,相邻硐室间的影响逐渐减弱,温度峰值逐渐趋近于单硐室。研究结果可为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。

考虑渗流-应力耦合的不同降雨条件下非饱和土边坡稳定性分析

降雨是诱发边坡失稳破坏的主要因素之一,由此造成的经济损失极其巨大。通过Geo-studio有限元数值分析软件,在考虑/不考虑渗流-应力耦合作用情况下,对非饱和土边坡有效应力和孔隙水压力进行对比分析,研究了不同降雨强度、持时和类型对边坡稳定性的影响。结果表明:渗流-应力耦合作用使得表层孔隙水压力上升速度及土体基质吸力消散速度加快,土体强度降低,耦合分析得到的安全系数比非耦合分析小;降雨强度越大,雨水下渗速度越快,边坡稳定性安全系数下降速度越快;降雨持时越长,降雨入渗影响深度增加,边坡稳定性安全系数越低;前锋型降雨作用下边坡稳定性安全系数下降最快,其次是均匀型降雨,最后是后锋型降雨。