深部工程岩体温度与渗流耦合作用下复杂应力场反演方法

深部地质体应力场的复杂性可归因于高地温和高岩溶水压覆存环境中的岩体非线性特征和局部构造应力场重构。该文结合岩体在流-固-热多场耦合作用下的力学响应机制,建立了能够解析深部各应力测点构造信息特征的非线性反演与优化方法。系统地分析了深部地质体温度场—渗流场—地应力场的耦合作用,以及温度场和渗流场对地应力场的影响机理,开展了三山岛金矿区深部岩体在不同围压及孔隙水压力作用下的三轴压缩试验,探究了深部岩体物理力学参数随不同孔隙水压及围压的非线性变化规律。提出了一种非线性特征延扩迭代算法(NCEI算法),该算法能够对各区域实测地应力数据中“弱”非线性与连续性部分的特征信息进行整体优化拟合,以及对局部构造区地应力中“强”非线性和非连续部分的特征信息进行强化解析。基于ABAQUS软件的二次开发接口,编写出多耦合计算子程序,实现了岩体地应力场—温度场—渗流场的耦合迭代计算,并对三山岛矿区深部地应力场进行了反演计算和分析。反演结果表明,考虑岩体多场耦合作用下的NCEI算法的各测点应力分量的平均反演精度为85.62%,高于BP神经网络算法与不考虑岩体耦合作用下NCEI算法的反演计算结果。因此,该研究方法可充分考虑深部地质环境的特征,为深部岩体复杂地应力场的反演与构建提供新的思路。

裂隙岩体水-冰相变及低温温度场-渗流场-应力场耦合研究

岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。

双重介质温度场-渗流场-应力场耦合模型及三维数值研究

在建立双重介质温度场-渗流场-应力场耦合微分控制方程基础上,提出研究裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的双重介质模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,提出该数学模型的求解策略与方法,开发双重介质流固热耦合分析的计算程序,通过模拟地下2200m的高温岩体地热开发系统的算例发现,注入井附近温度场-渗流场-应力场三场耦合作用十分明显的,主干裂隙对渗流场、温度场和应力场的整体分布具显著影响。与渗流场-应力场耦合,应力场-温度场耦合进行比较,探讨各场耦合效应的强弱,可以得出,在一定空间、时间域内,往往存在着起主导控制作用的双场耦合系统,变温条件下温度场对裂隙渗流场具显著耦合作用,从而论证了存在温度变化梯度的岩土工程中进行三场耦合分析的重要性。

寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

根据传热学,渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。给出了一寒区挡土墙考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明渗流对寒区挡土墙周围的温度场影响很大,而冻胀力对寒区挡土墙的水平应力影响很大。

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大，应充分考虑这一因素的影响。

基于Lu模型的土石坝温度场对坝体渗流场的响应分析

研究温度场与渗流场相互影响特征对土石坝渗流热监测具有重大意义。以均质土石坝为研究对象,采用COMSOL Multiphysics软件自带的多孔介质传热模块和多孔介质地下水渗流模块进行计算,模型中引入Lu模型来描述导热系数与含水量的定量关系,同时考虑流体温变效应,建立二维均质多孔介质饱和-非饱和渗流传热模型。结果表明,土体饱和度对坝体传热影响较大,非饱和土中,导热系数最大值与最小值相差可达50%以上,导热系数随土体饱和度的增大而增大,与传统热参数模型相比,Lu模型能够更好地刻画土体饱和度与热参数的关系。坝体温度场对渗流场变化敏感,可以通过温度场来反馈坝体渗漏。

深井巷道围岩应力场、应变场和温度场耦合作用研究

建立了耦合条件下岩体的应力-应变关系,推导出不同变温范围条件下巷道围岩的应力和应变.实例计算表明:巷道围岩在耦合情况下比非耦合情况下的切向应力、周边位移、破碎区和塑性区半径都有较大的增加,并提出了提高耦合条件下改善巷道围岩体稳定性的措施.

波形刃铣刀片温度场和应力场的耦合分析

为研究波形刃铣刀片在铣削过程中温度场和应力场的耦合状况,探求刀片的失效机理,依据金属切削理论、铣削温度试验及铣削力试验,建立了温度场和应力场有限元分析的边界条件.采用有限元分析软件ANSYS进行了温度场和应力场的有限元分析,并且进行了这两种物理场的耦合分析,得出了耦合状况下铣刀片等效应力的分布规律和受力变形情况,为铣刀片的三维槽型开发和优化设计打下了基础.

基于渗流-应力场耦合作用下土石坝稳定性研究

【目的】为了解渗流作用下土石坝的变化规律,评估土石坝的安全稳定性。【方法】基于渗流-应力场耦合模型,以某土石坝为研究对象,对土石坝结构渗流-应力场相互影响机理进行探讨,并采用直接耦合法对土石坝结构进行耦合计算。【结果】计算结果表明,土石坝最大渗透比降0.298,小于允许渗透比降0.51,出逸点均在排水棱体内部;上下游坝坡稳定安全系数均大于规范允许值;各种工况下坝体受力主要以压应力为主。【结论】研究结果对类似实际工程的处理有一定的参考价值。

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

基于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系,研究了渗流场与应力场的耦合效应,并针对一实际土坝建立了非线性耦合分析模型,探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明,在渗流作用下,坝体和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的,其作用结果将会使土坝、特别是防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高,表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。

考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析

根据尾矿坝形成的特点,进行考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程,然后导出这一问题的有限元计算公式及相应程序。在计算中首次导出了尾矿坝的渗透系数与应力场的关系式,并进行尾矿坝的非稳定渗流分析。工程实例计算结果表明,考虑耦合作用的影响。尾矿坝渗流场的总渗流量减小,而应力场的各应力分量的最大值增大。

寒区隧道渗流场和温度场耦合问题的三维非线性分析

根据传热学和渗流力学的基本理论,考虑冻土渗流场和温度场的耦合影响,建立冻土渗流场和温度场耦合问题的三维数学模型,应用Galerkin法进行有限元分析,并编制有限元分析程序。运用该数学模型和有限元分析程序,进行了青藏铁路昆仑山隧道DK977+578～DK977+682浅埋段的温度场以及渗流场和温度场耦合问题的三维非线性分析。分析结果表明:渗流场对隧道围岩的温度场影响较大,在寒区隧道工程设计时,应该考虑渗流场与温度场的耦合影响。

三峡大坝坝基粘弹性应力场与渗流场耦合分析

根据三峡大坝基岩的具体特点，本文提出了坝基岩体粘弹性应力场与渗流场的耦合分析模型，并对坝基开挖过程进行了模拟计算分析。该模型采用伯格斯模型模拟基岩的粘弹性流变特性，并假设其渗透系数与应力的关系为指数函数关系，考虑了应力场与渗流场的耦合效应。结果表明，渗流场的作用是明显的。

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应:(1)储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;(2)煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设:煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明:单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明:耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。

低渗透油藏渗流场与应力场耦合规律研究

基于岩石力学、渗流力学、地质力学、计算力学以及流-固耦合渗流的基本理论,考虑低渗透油藏渗流时的启动压力梯度和低渗透储层的流-固耦合特征,建立了低渗透油藏渗流场和应力场耦合的数学模型和数值模型。采用有限差分与有限元相结合的耦合数值计算方法进行了程序设计,研究了低渗透油藏渗流场和应力场的耦合规律。通过数值模拟方法对单井枯竭式开采过程中应力-应变随时间和空间的变化规律、岩石物性参数动态变化规律及开发指标变化规律进行了研究,并和刚性模型的计算结果进行了分析比较。可以看出,低渗透油藏的流-固耦合效应非常明显。

寒区大坝温度场和渗流场耦合问题的非线性数值模拟

本文首先根据热传导理论和渗流理论 ,提出了带相变温度场和渗流场耦合问题的数学力学模型和控制微分方程 ,然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元公式 ,最后给出了一个考虑了渗流影响的寒区大坝温度场的计算实例 .该例表明渗流场对寒区大坝的温度场影响很大 ,在寒区大坝的设计时应充分考虑这一因素的影响 .

碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合模型研究

针对碾压混凝土坝存在众多施工层面问题,提出了确定影响层厚度以及相应物理力学参数的方法;在此基础上,探讨并建立了碾压混凝土坝渗流场与应力场两场耦合模型,研制了相应的三维有限元程序· 研究表明,结合试验和理论分析确定的碾压混凝土坝层面影响层的厚度、弹性模量和泊松比等参数更切合实际;提出的碾压混凝土坝渗流场与应力场两场耦合模型,能较好地体现两场耦合作用,开发的三维有限元模型能较充分反映碾压混凝土坝施工层面的特性· 通过研究,为分析施工层面对碾压混凝土坝变化性态影响。

考虑渗流场和应力场耦合对混凝土坝位移的影响研究

采用等效连续介质模型研究了考虑渗流场和应力场耦合对混凝土坝位移的影响,结论为:①由于上游岩基内存在拉应力区,使其渗透系数增大,导致考虑耦合分析时岩基内的等水头线较不考虑耦合时偏向下游,且坝基扬压力较大。②考虑耦合与不考虑耦合对大坝垂直位移的影响略大于对水平位移的影响,但总体影响较小。无论是否考虑耦合,在岩基上作用渗流体荷载引起坝顶相对于基点的水平位移都是向上游的位移。③由于在上游岩基内存在拉应力区,渗透系数增大,从而使水平向和垂直向渗流体积力减小,导致岩基内水平向应力等值线较不考虑耦合时向下游移动,垂直向应力等值线向上游移动。

岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型研究

本文在分析岩体的地质特征、参流特征的基础上，提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型，给出了耦合集中参数型数学模型辨识的递推公式，讨论了该模型的应用前景。