三峡船闸高边坡的渗流损伤耦合分析

讨论了复杂岩体工程中渗流场与损伤场的相互作用问题，建立了渗流损伤耦合作用数学模型，并运用数值方法，对三峡船闸高边坡节理岩体中渗流场与损伤场的相互作用机理及其对工程岩体稳定性的影响进行了分析研究。

三峡船闸高边坡裂隙岩体的渗流损伤特征

本文在详细分析三峡船闸岩体的地质结构与渗流特征的基础上，运用渗流损伤分析方法，对三峡船闸岩体的稳定性进行了数值模拟，并得出一般渗透压力作用。

渗流损伤耦合作用下深埋圆形隧道的弹塑性解

为了研究深埋圆形隧道在考虑渗流损伤耦合作用下的弹塑性解,选择Drucker-Prager屈服准则,基于Biot有效应力原理推导具有衬砌支护的深埋圆形隧洞在施工阶段和运行阶段下的弹塑性解,得到塑性半径和衬砌围岩应力的公式,分析不同因素对塑性半径和衬砌围岩应力的影响。结果表明:在施工阶段,围岩损伤对塑性区的扩展起到促进作用,同时塑性半径与渗流力呈现正相关趋势,环向应力在衬砌与围岩交界处出现突变并最终趋于地应力;在运行阶段,塑性半径与损伤因子呈线性增加关系,与渗流力呈负相关趋势;随着内压力的进一步增加,对塑性半径的影响分为5个阶段,即低内压力阶段、中低内压力阶段、第一高内压力阶段、第二高内压力阶段、高内压力阶段等。研究结果可为深埋圆形隧道工程建设提供指导和帮助。

基于渗流-损伤耦合分析的煤层底板突水过程的数值模拟

根据杨村煤矿17煤的水文地质条件,应用岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统(FRFPA2D),建立了薄煤层底板采动破坏的数值模型,模拟了采动条件下底板的破断失稳、裂隙扩展和突水过程,探讨了底板突水的机理,并对底板的易发生突水部位进行了预测。结果表明,当回采工作面推进到26.8m时,在隔水层的两个约束端产生拉剪破坏区。该破坏区和12灰贯通形成突水通道。突水后通道处的位移、流量都发生突变增加,并形成连锁反应,使12灰到13灰及其之间的隔水层依次发生破坏,最大破坏深度达13m,但未勾通和14灰、奥灰之间的水力联系,在底板没有断层的地段不会发生突水。两个工作面采前和采后压水试验结果表明,采动后底板破坏深度在9.96～12.35m,同数值模拟结果相吻合。

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。

水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流–损伤–应力耦合分析

基于弹性损伤理论和线弹性断裂力学理论,建立水工隧洞衬砌水压致裂过程中的渗流–损伤–应力耦合模型。模型采用增量变弹性损伤刚度有限元迭代法,在内水荷载逐级施加的过程中考虑损伤对于渗流的影响,可以较好地模拟在水工隧洞充水加压过程中,混凝土衬砌在应力场和渗流场耦合情况下的损伤演化及裂纹的产生、扩展的过程。工程算例结果表明:计算结果较为合理地反映高内水压力下水工隧洞衬砌的开裂规律。当水压致裂过程采用耦合模型时,衬砌的损伤演化和开裂对衬砌渗流场的影响不可忽略;由于内水外渗的的影响,衬砌的受力条件在一定程度上得到改善。

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明：加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。

低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明:该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明:极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究。结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:(1)建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序。(2)基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序。(3)针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。(4)在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数。(5)根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数。(6)在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性。

软岩渗流-化学-损伤软化过程中能量耗散机制

红层软岩具有遇水软化特性,在降雨条件下渗流、化学、力学损伤等多效应综合作用造成工程地质灾害,是岩土工程界广泛关注的热点和难点问题之一。基于能量耗散原理,研究了软岩软化过程中的渗流、化学、损伤效应,提取了主要的渗流、化学、损伤能量变量,讨论了渗流-化学-损伤效应对软岩软化过程的作用以及能量耗散的机制,结合软岩三轴试验分析了能量耗散过程。结果表明:在渗流-化学-损伤效应共同作用下,水在软岩中形成渗流,渗流的作用加速了软化进程;软岩与渗流之间的化学作用加速了裂隙-孔隙损伤的发展;软岩裂隙-孔隙损伤的发展反过来促进了渗流及化学的作用。从能量角度来看,软岩软化后可承受的极限应变能量减少,渗流提供了能量同时也通过化学效应消耗了软岩自身的能量,降低了强度并引发损伤,因此,软岩软化的过程是一个能量耗散的过程。在此过程中,渗流、化学、力学损伤等能量的涨落及耗散、物质交换、非线性正反馈作用,使得软岩经历从平衡态到非平衡态相变,最终软化破坏形成了耗散结构。

基于应力-渗流-损伤耦合模型的重力坝三维水力劈裂数值模拟

裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分。目前,重力坝水力劈裂的数值模拟绝大多数是二维的,对于坝体上游面经常出现的竖直裂缝的三维水力劈裂的数值研究几乎为零。本文提出一种应力-渗流-损伤耦合模型,用于混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟。采用该耦合模型,模拟了一个内置裂缝的圆柱体试件的水力劈裂,数值结果与试验结果吻合很好,验证了所提耦合模型的合理性。在此基础上,采用该耦合模型,进行了国内某混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟,数值模拟得到的损伤区域与设计院根据安全监测实测结果得到的范围基本吻合。研究结果表明:本文耦合模型可以方便、有效地进行重力坝三维水力劈裂的模拟,评估表面裂缝的危险程度。

海底岩溶隧道损伤-渗流耦合机制及其应用

目的分析多场耦合作用下海底岩溶隧道稳定性.方法建立基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型,通过ABAQUS软件中Umat子程序接口实现了模型的有限元计算,利用该模型对大连海底岩溶隧道进行数值计算.结果溶洞作用下地表沉降曲线在开挖面中线两侧存在较大差异,随着上覆海水压力的增加,沉降最大值出现小幅增长,其位置逐渐向溶洞中线处偏移;当施加充填水压时,地表沉降值、开挖面附近围岩位移值和衬砌最大主应力值均发生明显变化;随着充填水压的加载,隔水岩体的损伤值和损伤区域逐渐增大,渗透系数成数量级增长,形成的导水通道为开挖面发生突水突泥灾害埋下了隐患.结论计算结果对岩溶区隧道监测和突水灾害防治具有指导意义.

下穿暗涵盾构隧道施工过程损伤-渗流耦合分析

针对下穿既有暗涵盾构隧道施工过程中的开挖扰动问题,首先给出了基于Mohr-Coulomb准则的岩体弹塑性耦合损伤模型,同时引入损伤变量-渗透系数演化方程,建立了岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型;其次,利用ABAQUS软件的子程序接口,编写了模型的求解程序;为避免数值积分过程中的飘零问题,采用了完全隐式的向后欧拉算法,通过在主应力空间中分区域讨论的方式,解决了M-C准则数值积分过程中的奇异点问题;最后,将该模型应用于南昌地铁三号线工程,分析了盾构施工过程中地表与上部暗涵的变形规律,周围岩体的损伤值和孔隙水压的分布规律,依据计算结果提出了合理的施工建议。

基于弹塑性损伤-渗流耦合模型的隧道洞口段围岩稳定性研究

为分析复杂条件下隧道洞口段稳定性问题,建立基于Mohr-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤-渗流耦合模型,利用完全隐式的向后欧拉算法编制弹塑性损伤模型的应力积分程序。在此基础上,利用ABAQUS平台的子程序接口实现耦合模型的有限元计算。将该模型应用于福建某洞口段隧道工程的围岩稳定性评价中,分析不同降雨强度下洞口段结构的安全系数、位移及损伤值的变化规律。结果表明:隧道洞口段结构的安全系数、损伤区和位移均会随着降雨进程的发展发生变化,雨季应加强监测频率。

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

应力-损伤-渗流耦合下采动弱胶结覆岩渗透性演化规律

应力-损伤-渗流耦合作用下弱胶结地层采动覆岩渗透性演化是影响矿井保水开采的重要因素。以新疆伊犁四矿21103工作面弱胶结地层条件为背景,选取侏罗系弱胶结泥岩、砂岩,在分析全应力应变过程中弱胶结岩石渗透率变化规律的基础上,明确了弱胶结岩石孔隙结构、矿物组成对其渗透性的影响机理,建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型,研究了采动弱胶结覆岩渗透性演化规律。结果表明:围压5 MPa内,弱胶结岩石初始渗透率高,压密阶段渗透率大幅下降,最大降幅达91.5%,这与其初始孔隙率高、孔径大直接相关。同时,弱胶结岩石最大渗透率及残余渗透率与初始渗透率相比增幅较小,最大比值分别为4.51和4.17,这与岩石中高岭石、蒙脱石等水敏矿物遇水膨胀泥化造成部分导水裂隙弥合有关;基于弱胶结岩石基质可压缩融合、破裂等假设,定义了损伤变量D,建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型,有效表征了弱胶结岩石初始渗透率高而残余渗透率增幅较小的渗透特性;工程尺度下,弱胶结地层采空区在工作面回采后快速压实闭合,出现渗透率恢复区,且该区域渗透率仅为初始地层的1.1~1.2倍。当工作面连续推进长度大于面长时,覆岩渗透率增高区由“马鞍形”演化为“双V形”,并集中分布于开切眼前方及工作面后方25~30 m范围。研究结果可为弱胶结地层保水开采提供指导。

基于渗流-应力-损伤耦合的岩溶地区基坑开挖稳定性

针对岩溶地区基坑工程施工过程中渗流(H)-应力(M)-损伤(D)耦合导致的岩石失稳问题,建立基于Hoek-Brown强度准则的渗流-应力-损伤耦合模型和算法。首先,根据损伤理论引入损伤因子对H-B准则进行修正,给出应力场、渗流场的控制方程与渗透性演化方程,实现渗流-应力-损伤的完全耦合。然后,给出该模型的求解算法。与石灰岩三轴室内试验与模拟的计算结果对比表明,两者拟合较好,验证了模型的准确性。最后,将该模型用于大连地铁梭鱼湾南站基坑工程的开挖稳定性分析,分别计算了耦合和非耦合条件下地表沉降和地下连续墙变形,结果表明,考虑耦合的变形值明显大于非耦合的变形值,并且更贴近现场监测数值。同时,为确定围岩最小防突层厚度,分别计算防突层为2 m、4 m、6 m、8 m时的损伤区分布特征,这对实际施工时的风险预测具有一定的意义。