三维大规模滑坡离散元建模与模拟研究——以茂县新磨村滑坡为例

数值模拟是研究高速远程滑坡的重要手段。本文以茂县新磨村滑坡为例,提出一种三维大规模滑坡离散元建模与数值模拟方法。基于离散元法宏微观转换公式和数值模拟测试,快速得到与滑坡体砂岩力学性质类似的离散元堆积模型。并结合滑坡数字高程数据和地层信息,建立起符合滑坡实际地层条件和岩体力学性质的三维离散元薄壳模型,模拟了新磨村滑坡启动、高速下滑和堆积的全过程。模拟结果与实际的滑坡堆积体在形态和分布上非常相似,并且模拟的滑坡速度场变化特点和时间范围与理论估算与实测地震信号较为一致,验证了数值模拟结果的可靠性和方法的有效性。论文共享了数值模拟源代码,可快速构建三维滑坡数值模型,为高速远程滑坡的数值模拟研究和相应灾害范围评估提供一个可选的方法。

基于离散元法的多孔砂岩压密破坏过程数值模拟

采用紧密堆积离散元模型研究了多孔砂岩压密带的产生和发展过程。模型中的一个离散单元代表一系列颗粒的集合体,通过屈服力和屈服椭圆的高宽比来定义单元的屈服包络面。当单元中一个连接的受力状态超过其屈服面时,单元被压密(收缩)。基于这种改进的离散单元,用Matlab构建了相应的模拟程序MatDEM。结果表明:当屈服椭圆的高宽比由0.5增加到2时,压密带由平直形变为波浪形,表明砂岩的压密带形状受其屈服面的形态影响,压密作用引起的弹性波促进了压密带的形成。根据模拟结果推断,当压密带传播时,其顶端单元的受力状态发生变化,并在压密带传播几厘米时超过一定限度。最终压密带方向交替在两个主要的倾斜方向之间变化,并显示为V形或波浪形。

基于离散元法的水力压裂数值模拟

不同条件下水压裂隙的发展特性对有效开采页岩气具有重要的指导作用。针对岩体在微观上为颗粒和孔隙的结构系统,提出离散元水力压裂数值模拟方法,离散元能量转化和能量守恒计算方法,建立了相应的三维离散元模型。采用自主研发的三维离散元模拟软件Mat DEM3D,通过控制模型的竖向应变与颗粒直径,来模拟地层中的应力与压裂速率的变化。模拟结果表明:(1)水力压裂产生裂隙的数量和方向受岩石的各向异性,压力状态和变化速率所影响。(2)裂隙在压缩波传播时发展,当水压力高速增加时,诱发的裂隙数量增多,并且有效能量(断裂热)百分比也随之增加,压裂作用也变得更明显。(3)当竖向应变为零时,50%的裂隙呈垂直状态,当竖向应变为-1×10-4时,裂隙趋于沿着最大压力方向发展,竖向裂隙的百分率增大。数值模拟和能量分析为定量地研究岩石水力压裂过程提供了一个新的方法。