渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m)2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明:应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。

应力-渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究

在复杂应力和长期渗流侵蚀作用下岩体裂隙的表面形貌不断发生改变,导致岩体裂隙的渗流特性演化机理更加复杂。开展不同粗糙程度的石灰岩裂隙渗透试验,对比试验结果和渗透试验前后裂隙表面形貌特征,分析应力和渗流侵蚀耦合作用对粗糙裂隙表面形貌的改造影响,研究其渗流特性的演变规律。结果表明,在应力作用下粗糙程度不同的裂隙其渗流量随时间均呈现先快速减小,后趋于稳定的变化规律;不同粗糙度裂隙的等效水力隙宽和渗透率在试验初始时刻基近相等,随后均呈不断减小的趋势,但在应力和渗流侵蚀耦合作用下裂隙表面粗糙度越大,其等效水力隙宽和渗透率的下降幅值越大,试验结束时其稳定值越小;粗糙起伏程度小的裂隙,其渗流路径较均匀,流线平直,而粗糙起伏程度大的裂隙,表面出现沟槽流现象,渗流路径曲折延长;当裂隙表面粗糙凹凸体增多,与渗透水流的接触面积增大,应力和渗流侵蚀作用对裂隙表面形貌的溶蚀改造增强,使表面整体形态更粗糙起伏,而表面形态影响其渗流路径,致使裂隙表面沟槽流现象加剧,反过来影响裂隙渗流特性的演变规律。

金府站地铁深基坑降水支护应力渗流耦合演化机理

依托成都地铁6号线金府站地铁深基坑,采用岩土工程有限元数值仿真软件Midas GTS NX分析了基坑降水支护的渗流应力耦合过程中的变形演化机理,结合现场实际监测数据,对基坑降水支护的渗流应力耦合过程中,基坑围护结构及周边地层的变形演化机理做了详细的研究。采用修正莫尔-库伦(Modified-Coulomb)本构模型、数值仿真软件,通过分析现场实际检测数据,可以得到在深基坑开挖过程中,围护桩深层水平位移最大值随着基坑开挖深度的增加逐渐下移,最大值出现在开挖面附近,围护桩深层水平位移变化形态表现为“大肚状”,说明在基坑开挖过程中,其围护桩的侧向位移主要取决于基坑纵横向地下围护桩的相对约束刚度。

单裂隙流-固耦合渗流的试验研究

通过对较大尺寸的单裂隙岩体试块进行不同侧面加载的渗流试验,在实验室里开展了单裂隙流 固耦合渗流研究,模拟核废料贮藏库的围岩自由面的最危险部位的渗流量 应力耦合状态。分析了裂隙岩体渗流与应力的耦合机理,获得了几种典型情况下的试验数据,并拟合出不同应力条件下单裂隙岩体渗流量与应力间数学经验公式。从而说明并非任一方向的应力增加都能使渗流量减小,而是裂隙岩体的渗流量随着双向压应力的增加而减少,随着平行于裂隙面方向的单向压应力的增加而增加。缝隙开度虽然随着法向应力的增加而逐渐减小,但最终不可能完全闭合,所以,此时流量不可能为零。同时,在试验过程中还通过闭环控制来实现被加载面的均匀受力,这为大尺寸岩体试验提供了一种很好的加载方法。

对管涌机理的新认识

基于原状土的实际受力特点,提出新的管涌机理:管涌是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。在详细归纳评述最新研究进展的基础上,提出了今后研究的总体思路:首先利用三向受压状态下土体的渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验,建立耦合管涌本构方程,揭示三向受压状态下土体管涌发展的渗流–侵蚀–应力耦合机理;然后基于溶质运移的思想,建立预报原状地基土体管涌发展过程的渗流–侵蚀–应力耦合数学模型。同时指出渗流–侵蚀–应力耦合试验的可重复性及三相三场全耦合纯对流管涌模型的高效求解策略是需要重点解决的关键科学问题。提出的新的管涌机理为客观认识管涌问题的本质提供了一种新的角度,今后的研究成果将对堤坝管涌险情的科学预报和有效治理具有重要的指导作用。

岩土热—流—固耦合理论及在采矿工程中的应用

比较系统地介绍了煤炭工业中遇到的不可忽略的渗流—温度—应力耦合问题,而且对各领域的主要研究方法、研究结果等进行了报道,总结了岩土渗流—温度—应力耦合的研究方法和宏观方程,并提出了若干前沿研究方向。

氯离子侵蚀作用下盾构管片服役性能探析

为揭示跨海盾构隧道侵蚀发育规律并评价管片服役性能,以厦门地铁6号线下穿马銮湾海底隧道工程为背景,利用多物理场耦合有限元软件Geo-studio开展了水土荷载作用下海水非饱和渗流与氯离子运移数值模拟,对管片服役期的劣化行为过程进行探析。在此基础上,还确定了管片内外排钢筋的无锈工作时间。结果表明:(1)海水入渗和氯离子侵蚀发展均从衬砌环外缘各个方向呈圆环状同时入渗,渗入深度和速率受所处部位的水压力影响较大;(2)同一时间,管片不同位置处的海水渗入深度和氯离子侵蚀深度总体表现为拱底>拱脚>拱肩>拱腰>拱顶,隧道埋深越大的部位海水入渗深度越深;(3)隧道拱底部位外排钢筋最先锈蚀,其无锈工作时间为34.6年,相应海水渗入深度最深约为105 mm。

径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型利用Navier-Stokes方程描述淹没区坡面径流,利用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier-Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随其增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知:1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且其值越大,颗粒越容易失稳。

考虑侵蚀-力学耦合的砂土渗流侵蚀有限元模拟

基于基本渗流侵蚀控制方程及土体本构,提出了渗流侵蚀-力学耦合模型。该模型能够反映土体细颗粒含量、孔隙率、孔隙水压力等土体特性在渗流侵蚀中的动态变化过程。利用有限元的方法实现了该模型的数值模拟,揭示渗流侵蚀的机理,全面地描述渗流侵蚀发生、发展直至稳定过程中的特点,并探究了在砂土渗流侵蚀过程中物理力学特性的变化规律。侵蚀的过程分为三个阶段:起始侵蚀阶段,侵蚀过程刚刚开始发展缓慢;稳定侵蚀阶段,侵蚀快速发展;侵蚀平衡阶段,细颗粒沉积速率和流失速率逐渐达到一致,最终侵蚀终止。渗流侵蚀使得土体物理力学性质发生变化,土压力重新分布,进而导致地表发生沉降,沉降量与侵蚀程度成正相关,且在流失孔上方影响较大。

页岩气渗流过程中的多场耦合机理

本文简要概述了目前模拟页岩气渗流机理数学模型的不足之处,基于线弹性多孔介质力学,建立了自由气渗流、吸附气表面扩散、吸附气非平衡解吸附、岩石变形的全耦合页岩气微观渗流数学模型,推导了纯孔隙介质与包含裂隙介质的主要物性参数的应力敏感模型,并推导了解吸附过程非平衡效应的理论模型,形成了一套较全面的描述页岩气在线弹性微纳多孔介质中的微观流动数学模型.通过数值模拟分析了应力敏感、表面扩散、非平衡效应对页岩气传输的影响,结果表明:页岩的应力敏感效应由基质中的天然裂缝决定,页岩孔隙本身的应力敏感性可以忽略;吸附气的表面扩散十分缓慢,可以忽略;平衡常数与孔隙度对非平衡效应影响显著,吸附速率对页岩气流动的影响十分明显,吸附速率越大,页岩气流速越大.本文建立的数学模型为深入理解页岩气渗流微观机理,科学开发页岩气藏提供了一定的理论基础.

基于应力-渗流耦合理论的突水力学模型

由于岩石渗透率的突跳现象与底板突水现象的力学机理相同,通过进行实验室三向应力下岩石渗流实验,从力学的角度对底板突水机理进行了合理的解释,并提出了底板突水的实用突水判据.结果表明:底板突水是由于底板应力场与承压水渗流场相互作用形成的,矿山压力导致底板隔水层中的裂隙扩展贯通是底板突水的必要条件,承压水在裂隙面的法向扩张力及切向剪切力大于裂隙面的内力是底板突水的充分条件.只有同时满足充分条件和必要条件时,底板突水事故才会发生,理论分析结果与现场突水规律一致.

围压对砂砾石地基管涌影响的试验研究

砂砾石地基所处的实际应力状态对其管涌发生、发展过程的影响明显.为了研究有围压状态下砂砾石地基的管涌现象,利用渗流-侵蚀-应力耦合试验装置,开展了不同围压状态下缺乏中间级配的管涌型砂砾石料的耦合试验研究,建立了管涌临界渗透坡降与围压之间的线性经验公式,表明管涌临界坡降随着围压的增大而增大;通过对管涌发生、发展过程中的土样渗透性及细颗粒流失情况的分析,发现围压越大,土体渗透系数及其变幅越小,对管涌发展的遏制效果越明显.