渗流作用下三亚河口通道管幕冻结法温度场数值模拟分析

为得到在渗流作用下管幕冻结法温度场的变化规律,以三亚河口通道海底隧道工程初步设计为例,运用有限元数值模拟软件建立水热耦合模型,假设模型中渗流流向自左向右,通过改变模型中平均渗流速度的大小对冻结帷幕的发展、封闭性、厚度变化等进行分析.结果表明:在冻结期间,随着平均渗流速度的增大,外圈冻土帷幕的形成时间延迟,其向渗流流向偏移的程度增大,且最终稳定的冻土帷幕平均厚度减小;在冻结约14 d后,不同水头差下的冻土帷幕内部渗流速度均降至0 m/d,冻土帷幕在形成的早期受渗流作用的影响较大.鉴于原冻结方案较为保守,提出优化冻结方案:将原冻结方案外圈冻结管减少一半至48根,且调整盐水降温计划实现二次优化.对二次优化结果分有渗流与无渗流两种情形进行讨论,结果得出:优化后在渗流作用下冻土帷幕厚度约5 m,比原方案减少了2 m,既满足冻结设计要求,又提高了经济性.

渗流作用下多级配土石混合填料的结构演化规律

渗流是引起土石混合填料中细颗粒流失,致使土体结构变化引起路基变形及失稳的关键因素。采用自行研发的颗粒流失试验装置,对不同级配的土石混合填料进行渗流试验,监测渗流作用下填料的透水质量、细颗粒流失量和沉降量的变化过程,分析土体结构演变过程;采用PFC^(3D)(Particle Flow Code in 3D)对细颗粒流失过程进行数值模拟,分析填料孔隙和粒径动态变化特性。研究结果表明:透水质量和细颗粒流失率可以反映土石混合填料结构对水分的敏感程度。填料骨架结构对水分的敏感程度越低,可及时有效地排出水分,渗流对结构的破坏越小。渗流条件下土石混合填料的结构演化过程可分为细颗粒快速流失、骨架重塑和相对稳定3个阶段,其中骨架重塑阶段是引起其结构演化的关键阶段。细颗粒快速流失阶段,每小时透水量增长速率较快,细颗粒大量流失,沉降量很小;骨架重塑阶段,每小时透水量变化速率减缓,细颗粒流失量减少,但骨架结构重组导致颗粒产生明显的相对位移,沉降量增长较快;相对稳定阶段,每小时透水量变化缓慢,沉降量基本保持不变。颗粒流失数值模拟的过程表明细颗粒组分的迁移引起填料孔隙率产生变化,致使土体结构发生改变。上述结果表明,在所研究的几种填料中,n=0.55级配下土石混合填料的骨架结构最稳定,对水分的敏感性最弱。

考虑中间主应力与渗流作用的巷道稳定理论解

为了探究渗流作用下不同中间主应力对圆形巷道围岩的影响,应用弹塑性力学理论,基于Drucker-Prager屈服准则,推导得出围岩塑性区半径与孔隙水压力之间的关系式;再由极值点失稳理论,确定围岩失稳的判别准则。结合实际工程,分析中间主应力系数对临界水压力的影响,结果表明:中间主应力对临界水压力有较大影响,采用D-P准则时中间主应力系数与临界水压力的关系曲线表现为类抛物线形式。当中间主应力系数取0.8时临界水压力达到最大值10.0 MPa;与基于MC准则的计算结果做对比,发现考虑中间主应力时D-P准则的临界水压力计算结果更能反映岩石多轴力学性能,可应用于较为完整的含水岩层支护设计优化。

考虑渗流作用和围岩损伤的地铁隧道下穿古运河区段变形分析

目的:青岛地铁13号线香江路站至井冈山路站区间隧道下穿古运河,为确保该区间典型富水松散地层的施工安全,需研究地铁隧道施工对古运河的影响。方法:阐述了该地铁区间的工程概况,分析了土体的初始含水率、粒径及饱和度3个参数对渗流系数影响。开展室内试验,对富水松散地层中的非饱和渗流特性进行研究。对FLAC3D软件中内置的饱和渗流-应力耦合计算模块进行修正,并考虑围岩损伤后强度变化情况,得到改进型的渗流-应力耦合计算模块。将实测值和计算值进行对比,以验证改进型计算模块的合理性与有效性。将改进型计算模块运用于实际计算中,分析地铁隧道开挖对于古运河的影响。结果及结论:经验证,该改进型计算模块合理、有效;下穿古运河的隧道区间的渗流-应力耦合作用不能忽视;土体的初始含水率越大,其渗透系数也越大;隧道施工使得古运河整体下沉和部分结构扭转,需采取相应的施工保护措施。

渗流作用下盾构隧道地表变形规律研究

在泥水平衡盾构工法中,通常会用密封舱的泥浆来平衡开挖面的水土压力,从而达到控制地表变形的目的,因此,泥浆压力的选取十分关键。为了解决工程中泥浆压力的选取问题,采用理论分析方法,结合泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥浆在开挖面上的3种形态进行对比分析,结果表明,“渗透模型”在工程中广泛存在,且渗透作用会导致开挖面稳定性减弱。基于“渗透模型”,采用FLAC^(3D)软件进行流固耦合计算,结果显示,渗流作用下地表最大沉降随泥浆压力的增大而减小,当泥浆压力达到一定限值后(本工程背景下为400 kPa),地表最大沉降值不再减小,该研究解决了合理确定泥浆压力控制地表沉降的难题;通过分析盾构掘进过程中岩土体应力状态分区和地表沉降云图,构建了地表沉降范围预测模型,模型理论计算结果与数值模拟结果吻合良好,该模型可用于泥水盾构隧道施工引起的地表沉降范围预测。此外,在泥浆压力为400 kPa时,采用数值计算方法进行了泥浆渗漏计算,结果表明泥浆渗漏上边界距水库底面7.5 m,不会对保护区水体造成污染。该研究结果可为泥水平衡盾构施工中泥浆压力的选取、地面沉降范围的确定以及泥浆渗漏的影响这3个施工难题提供解决思路。

渗流作用对卵石地层隧道基坑及邻近管线影响

依托洛阳市周山大道下穿隧道深基坑工程,结合周边复杂环境及水文地质条件,研究渗流作用对卵石地层隧道基坑及邻近管线的影响规律。采用MIDAS GTS NX软件建立模型,结合现场监测分析了开挖过程中基坑周边土体位移、地表沉降值、支护变形规律,以及基坑开挖和降水对邻近管线变形的影响,并将数值计算结果与现场监测数据进行对比分析。结果表明:围护结构水平位移整体为前倾曲线,随嵌入深度先增大后减小,最大位移为13.94 mm,位于桩身中部,并在规范允许范围内;降水期间地表沉降程度加剧,与基坑距离1.5倍设计开挖深度以上时沉降几乎占据总位移60%以上;开挖深度超过6 m时邻近管线较上一工况最大沉降差为3.35 mm,竖向变形整体为下沉形态,位移最终呈现两端小、中间大的结果,具有明显空间效应。

渗流作用对泥炭质土基坑结构力学与变形行为的影响

依托昆明市某泥炭质土基坑工程,分析渗流作用对开挖过程中泥炭质土基坑结构力学与变形响应的影响。借助数值软件Geo Studio建立了泥炭质土基坑结构二维数值模型,对SIGMA/W模块和SEEP/W模块进行了耦合,以研究渗流-应力耦合作用下基坑结构力学与变形特征;分析了止水帷幕长度对基坑结构渗流场的影响;对比了考虑与不考虑渗流作用时排桩弯矩、排桩侧向变形和基坑内外竖向变形的差异。研究结果表明:增加止水帷幕长度可延长渗流路径,继而改变基坑结构力学与变形响应;每步开挖后前3 d渗流速度的降幅达70.9%以上;与不考虑渗流作用相比,考虑渗流作用时基坑外地表沉降与排桩侧向变形更大,且基坑变形的影响范围更广,对周围环境的威胁更大。

考虑渗流作用的碾压混凝土坝体性能分析

大坝渗流作用对其在运营期间的安全稳定存在重要影响。为分析渗流作用对碾压混凝土坝体性能的影响,选用某碾压混凝土大坝工程典型断面,根据其实际工程情况利用ANSYS有限元软件建立相应的三维模型进行分析,得到如下结论:(1)前处理时应综合考虑各项因素后进行建模,用薄层单元模拟大坝层面,用以沟代孔延长渗径法模拟排水孔,用热分析模块模拟渗流作用,用APDL语言编程进行迭代计算确定浸润面;(2)对比分析数值仿真模型与实际监测的渗压水头可知该仿真模型结果可信;(3)分析仿真结果可知,坝体总体稳定,但仍有少量水能通过渗流作用到达下游坝面,故建议在迎水面设置排水层。

应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析

为了进行渗流作用下的边坡稳定性分析,必须考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。目前对渗流作用下边坡稳定性的分析一般都是通过自编程序进行的,通常都是先对渗流进行有限元数值模拟,然后再对边坡采用条分法进行稳定性分析。目前国际上关于渗流作用下边坡稳定性的分析方法发展较快,已经可以采用有限元强度折减法来进行分析计算,尤其是PLAXIS有限元程序对于这方面有较好的适用性。应用PLAXIS有限元程序采用有限元强度折减法,进行了渗流作用下的边坡稳定性分析,并用ADINA和GEO-SLOPE程序进行了验算。

渗流作用下吹填土微观结构特征定量化研究

吹填土的工程性状受土体的物质组成和微观结构综合影响,而微观结构在以往的研究中涉及较少。以天津滨海地区吹填土为研究对象,进行室内渗流作用下吹填土的沉降试验。利用图像处理技术对土体的微观结构作定量分析,讨论天津滨海地区吹填土结构单元体、孔隙的大小、丰度和定向频率等评价指标在渗流作用下的变化情况及形成机理,可为评价吹填土的工程地质性质提供一定的理论依据。试验分析表明：随着渗流压力的增大,土中结构单元体从较为松散的状态转变为团聚状态,呈现出不同程度的扁圆形,但没有明显定向性;土体中的孔隙由于失去平衡,变为小而紧密的球形体,孔隙定向角集中分布在0°~10°。

渗流作用下利用有限元强度折减法的边坡稳定性分析

应用ADINA程序分析了天然情况下边坡的稳定性,得到了安全系数和滑面的位置,并与ANSYS以及传统条分法GEO-SLOPE程序的计算结果进行了对比;在渗流作用下,基于渗流方程和温度方程的原理,把温度场所对应的温度荷载转化为孔隙水压力荷载施加在稳定性分析的计算模型上,对边坡进行了稳定性分析。结果表明,采用该方法计算得到的安全系数与采用传统极限平衡法计算得到的安全系数相比,两者之间的误差在3%以内,说明利用温度场进行渗流计算,再采用有限元强度折减法来进行边坡的稳定性分析是可行的。

采动及渗流作用下隔水土层破坏规律研究

为了研究土层隔水层在采动及渗流作用下的破坏规律,采用了固-液耦合相似材料模拟试验研究和土层破坏理论分析。试验表明,在采用的长壁间隔式开采中,浅埋煤层中的组合关键层破断后进入裂隙带,隔水土层协调运动进入弯曲下沉带。该开采方法改变了岩层的运动破坏规律,抑制了采动裂隙在隔水土层中的发展,避免了导水裂隙与含水层贯通,达到了保护土层的采动隔水性目的。土层变形、破坏理论分析表明,组合关键层的破断距亦即对应土层的跨距,在弯曲下沉过程中没达到变形破坏极限跨距,不会产生导水裂隙,满足保持隔水性能的判据。现场开采实践证明,试验工作面开采后未出现潜水渗漏。该方法并已成功实现多个工作面的保水开采。

降雨渗流作用下滑坡变形数值分析

给出了一种考虑渗流作用影响的边坡弹塑性有限元分析方法,采用了不同降雨对抗剪强度影响的模型,求解带有渗透力作用项的土体弹塑性平衡方程得到边坡的应力应变分布,进而求解边坡的塑性区,并应用于降雨滑坡的分析。由算例分析发现,由于渗流作用影响,边坡变形加大,最后形成潜在滑动面,是符合实际情况的。基于以上理论和算例研究得知,利用渗流耦合应力的弹塑性来分析大气降雨而引起的土体滑坡的变形和发展是可行的,是一种有益的尝试。

渗流作用下节理型黄土开挖边坡塌滑破坏分析

黄土节理在黄土地区普遍发育.通过野外现场地质调查。发现调查区域黄土开挖边坡垂直节理较多,不稳定的黄土边坡体被黄土垂直节理分割后,与其下部缓倾角黄土节理组合而成的裂隙滑动面在降雨作用下往往能形成塌滑破坏。建立了调查区域露天煤矿某黄土开挖边坡的概化三维数值分析模型,模拟分析了在3种降雨条件(20 mm/d,40 mm/d,100 mm/d)下降雨2 d后概化模型的孔隙水压力、位移、塑性区面积情况,提出此类黄土开挖边坡应注意黄土垂直节理与缓倾角黄土节理组合而成的裂隙滑动面的防治,为工程地质条件地区相同的黄土开挖边坡塌滑变形破坏分析以及防治提供了一种可行的分析方法。

渗流作用下圆形巷道围岩弹塑性分析

在假设岩体在无限小的区域内材料属性相同,将岩体划分为若干个塑性区域环的情况下,应用统一强度理论,结合岩石应变软化力学模型与围岩峰后强度和变形演变规律,推导了渗流作用下圆形巷道围岩破裂分区的计算公式,分析了渗流作用下巷道围岩的弹性区、塑性软化区和破裂区的力学性态。结合具体算例,对比分析了渗流作用下和无渗流作用下巷道塑性区范围影响因素,得出支护反力、巷道半径以及采深对渗流作用下的巷道塑性区域影响尤为明显。研究表明,考虑渗流作用使得分析结果更加接近于实际,能显示出巷道围岩变化破坏情况,为地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。

渗流作用下黄土含水率变化特征及对隧道工程的影响

富水黄土隧道施工开挖后含水率增加对隧道工程施工影响较大,前人建立了多种以黄土含水率为指标的工程措施判别标准,但对于黄土含水率的变化原因及时空变化特征缺乏系统研究。银西高铁驿马一号隧道不同工况下含水率的变化特征表明,自然渗流状态下隧道洞身黄土含水率平均为25.9%,局部为软塑;施工排水阶段受渗涌水影响,黄土含水率平均上升到31.3%,下拱腰上升到32.2%,引起了隧底软化、掌子面滑塌失稳、围岩稳定性变差等问题;采取地表降水后,黄土含水率下降为25.4%,改善了黄土的物理性质,确保了隧道施工安全与进度;水位恢复后,黄土含水率平均上升到29.4%,拱顶与上拱腰变化较小,下拱腰达到了37.2%。研究认为地下水渗流变化将使得隧道洞身黄土含水率变幅达15%~33%,通过控制地下水渗流作用可以达到隧道安全施工的目的。

土坡渗流整体稳定性分析与控制——渗流作用下土坡稳定分析

土坝岸堤的渗流破坏有两种:一是因集中渗流和大的出渗坡降使地基或坡面发生管涌或流土,一是因渗流场普遍存在的孔隙水压力所造成的整个土体的滑动,前者属局部稳定,后者属整体稳定,本文只讨论后者.

考虑渗流作用的深覆盖层地基防渗墙应力变形分析

采用三维非线性有限元方法分析深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形特性。建立考虑渗流作用的深覆盖层上面板堆石坝应力变形数值模型。在分析渗流作用对防渗墙应力变形特性影响的基础上,分析了防渗墙施工顺序和防渗墙深度对墙体应力变形的影响。结果表明:渗流作用使防渗墙的顺河向最大变形增加56.47%,使墙体的最大拉压应力分别增加22.47%和21.74%,不考虑渗流作用将使防渗墙应力变形计算结果偏于不安全。防渗墙靠后的施工顺序可以改善墙体的应力变形性状,悬挂式防渗墙贯入深度越小,其应力变形特性越趋于安全稳定。

导热与导热-渗流作用下浅层地能热量输运数值模拟

现用于浅层地能热量输运的地下传热模型忽略了地下水迁移对传热的影响。依据TOUGHRE-ACT模拟程序中质量与能量守恒原理,建立了多相流热渗耦合条件下地下热能输运数学模型。在此基础上建立了换热井群模型,模拟了导热及渗流作用下换热井群夏季制冷工况的瞬态温度场。模拟结果显示,地下水渗流流速及方向对热量传输影响较大。渗流流速为0.1 m/s时,温度场的瞬态特征显著;渗流流速达到0.5 m/s以上时,温度场的瞬态特征逐渐消失。渗流流速的方向性使换热井群温度场分布也呈现出显著的方向性,在布置换热井群时应在平行地下水渗流方向上增加井间距,而在垂直于地下水渗流方向上减小井间距。2种传热作用相比:在导热作用下换热井群产生热堆积,温度场整场接近饱和;在渗流作用下各换热井的能效系数在20 d后基本处于稳定状态。

渗流作用下岩溶陷落柱侧壁突水的临界水压解析解

在陷落柱侧壁突水研究中引入厚壁筒力学模型,将陷落柱侧壁煤柱视为多孔介质,考虑地下水的渗流体积力,应用摩尔库伦强度理论和弹塑性力学模型,推导出煤柱弹塑性状态应力解析式,以及煤柱内塑性区半径与水压力的关系表达式,同时编程试算出陷落柱侧壁突水的临界水压力。在此基础上,分析了煤柱孔隙率、煤柱抗剪强度参数以及煤柱宽度等因素对陷落柱侧壁突水的临界水压力的影响规律。研究结果表明:1煤柱能够承受的临界水压随着煤柱孔隙率的增加而降低,故当煤柱裂隙发育时,不考虑渗流力的结果将偏于安全;2煤柱宽度越大、抗剪强度越高,则临界水压越大,陷落柱侧壁突水的危险性越低;3可通过注入水泥浆液减小煤柱孔隙率和提高煤柱强度来防止陷落柱侧壁突水,同时可减少煤柱的留设宽度,对减少煤炭损失有着重要意义。