非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。

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。

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。

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。

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。

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。

黏土岩温度-渗流-应力耦合特性试验与本构模型研究进展

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场(T)、渗流场(H)和应力场(M)的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强度、蠕变特性。在此基础上,重点分析了黏土岩水-热迁移模型以及热-力耦合本构模型的适应性。基于上述认识,通过试验研究了比利时Boom clay在温度作用下的强度、渗透性、蠕变性等特征。结果表明:随着温度升高,Boom clay的强度有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率明显加快。提出了适用于Boom clay的THM耦合弹塑性损伤模型,计算结果验证了模型能合理反映温度的影响。最后,探讨了黏土岩THM耦合机理研究的不足和今后的研究方向。

工程岩体地下水渗流-应力-温度耦合作用数学模型的研究

为了探讨工程岩体赋存地下水渗流场、应力场与温度场之间存在的相互作用，从场性能等效的原则出发，通过等效性能场之间耦合作用机理的研究，初步建立了一个工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场耦合作用的简单的数学模型，为３场之间耦合作用定量研究提供参考。

含坚固性系数的应力-温度场中瓦斯渗流耦合模型初探

文章以贵州五轮山、玉舍及响水煤矿三层坚固性系数各异的型煤为对象,利用自主研发的三轴渗透仪,进行了不同坚固性系数条件下的恒温-变平均有效应力的三轴渗流实验,实验结果表明相同实验条件坚固性系数与渗透率呈正相关关系,并服从乘幂函数分布,利用实验结论确定了有坚固性系数条件下应力-温度场中的瓦斯运动方程,并以此为基础,建立了含坚固性系数条件下应力-温度场中的瓦斯渗流模型,研究结果对探讨坚固性系数对瓦斯灾害的影响具有较大的理论价值。

岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型

进行岩体渗流-应力-温度三场耦合研究,是为了更客观地反映作为人类工程活动地质背景的岩体的本质属性。从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互作用关系出发,分别建立了应力和温度影响下的渗流场模型、渗流和温度影响下的应力场模型、渗流和应力影响下的温度场模型,耦合三者成为岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型;并对此三场耦合模型及其数值解法进行了讨论。

含水层水力联系温度-渗流耦合模型研究

为研究含水层水力联系预防矿井水害,建立温度场-渗流场耦合数值模拟模型,模拟研究不同含水层水力联系状态、不同回采距离条件下渗流场与温度场的变化规律。研究得出:不同水力联系方向对温度场的作用规律不同,工作面附近温度场的变化能够用来判断顶板含水层水力联系情况,为研究含水层水力联系提供了一种新的研究思路。

混凝土重力坝水力劈裂分析及渗流-应力耦合模型构建

针对混凝土重力坝水力劈裂问题,研究构建渗流-应力耦合控制方程,并进行水力劈裂的数值模拟。结果显示,注水率对裂缝口水压力、裂缝张开位移、孔隙水压力、竖向位移均有较大的影响。以时间点8.0×10^(-3)s为例,当注水率为1×E-5 m^(2)/s时,裂缝张开位移为0.46×10^(-2)MPa;当注水率为20×E-5 m^(2)/s时,裂缝张开位移为5.42×10^(-2)MPa。研究方法可为混凝土重力坝水力劈裂分析提供参考与借鉴。

基于LSTM神经网络的桥梁温度-应力相关模型建立方法

为更好地了解桥梁结构,探索温度及应力等因素对桥梁的影响。提出一种基于LSTM神经网络的桥梁温度-应力相关模型建立方法,通过传感器采集大量桥梁温度及应力数据,在时间序列数据基础上对数据向量使用Z-score方法进行标准化处理,借助LSTM神经网络的桥梁温度-应力相关模型,准确预测出桥梁温度及应力之间的关系。通过与RNN、GRU模型对比,该模型RMSE、MAPE、MAE值均有不同程度的下降,表明该模型预测效果明显优于其他模型。

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。

声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型

从煤层气单相流动的吸附平衡质量守恒、声场作用下的热平衡及应力平衡等方面入手，建立了声场作用下煤层气流动的应力-温度-渗流压力场流固动态耦合数学模型。利用数值模拟，分析了声场促进煤层中甲烷解吸．扩散．渗流的机制。分析得出，声场作用可明显地提高煤．气系统的温度，提高煤层的孔隙度，增大煤层气流动的渗透率，降低煤层骨架的应力；超声在煤层中衰减形成热效应和超声振动，超声振动影响范围与超声衰减距离一致，超声热效应向煤层纵深传播，转化为煤．气层系统的热能，提高系统的温度。

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。

基于渗流-温度双场耦合的油藏型储气库数值模拟

调峰保供是储气库的职能,建库指标的精确预测,事关新钻井数量和投资。复杂断块油藏改建储气库后,多周期高速注采过程均为油气水三相流动,油、气高压物性参数受温度影响极大,在进行复杂断块油藏型储气库数值模拟时,若忽略冷气注入温度场扰动和高速非达西附加压力损失,可能会导致储气库数值模拟指标预测精度降低。为提高指标预测精度,以复杂断块油藏型储气库为例,结合流体黏温及高速非达西实验,建立了渗流-温度双场耦合数学模型。基于有限体积法(FVM),在空间上采用两点通量近似方案(TPFA),在时间上采用后向(隐式)欧拉格式对模型进行离散求解。高精度拟合了衰竭开发阶段区块、单井物质平衡及压力,实例开展了储气库运行指标敏感性分析。结果表明:冷气注入温度场扰动、高速非达西效应分别是累产油、气量误差的主控因素;井控温度范围随注气速度增加呈对数上升,油气相渗流能力大幅下降时水相渗流能力反而上升,使得采出液量增多、地层压力下降;高速非达西附加压降造成天然气注入后部分采不出,随着储气库多周期运行,天然气储量及压力逐渐增加。

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。