岩石边坡渗流破坏的数值流形方法模拟

通过对岩石边坡中的裂隙水对岩石边坡裂隙作用的力学原理进行分析的基础上,提出了数值流形方法中对裂隙水渗流作用的计算方法,并在原有考虑裂纹扩展的数值流形方法程序中加入了考虑裂隙渗流的子程序。最后利用综合考虑渗流与断裂的数值流形方法程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟。模拟结果再现了原始裂隙在渗流作用下的扩展路径及所形成的切割块体在自重作用下的运动过程,与边坡的实际破坏模式基本一致。     

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。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究

裂隙的剪胀特性及扩展演化规律对岩体的渗流特性具有重要影响。为揭示裂隙剪胀及扩展演化对岩体渗流的影响,基于残余强度提出了一种能较好描述岩石硬化-软化特性的全剪切本构关系;结合剪切变形与裂隙开度的关系,利用最小势能原理和立方定律,建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型;假定压剪作用下裂隙发生Ⅰ型扩展,提出了伴有翼型裂纹的渗流模型,该模型不仅考虑了岩石的剪胀特性,更反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律。对不同裂隙粗糙度的剪切应力-位移曲线进行分析,全剪切本构模型表现出较高的拟合精度。在剪切应力-位移关系基础上,通过剪切渗流试验数据对压剪作用下渗流模型进行验证,结果表明,该模型能较好地描述岩体剪胀阶段渗透性演化规律。利用等效裂隙简化裂隙网络,并通过试验数据进行验证,证实了裂隙扩展过程渗流-应力耦合模型的准确性与适用性。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

考虑裂隙水压力的岩体压剪裂纹扩展规律研究

在库水位大幅度升、降变化时,容易导致岩体内增量裂隙压力的集中,使断裂面上有效应力降低,裂纹面尖端的应力强度因子增加。当达到临界强度因子时,可能使岩体内裂纹、裂隙贯通、扩展,形成连续的复式破坏面,从而使边坡稳定性降低,造成边坡的失稳。基于此,从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹扩展规律进行了研究,结果表明：Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角;对于闭合裂纹,裂纹面摩擦系数越小,扩展角越大;最后,推导了基于摩尔-库仑准则考虑裂隙水压力的岩体断裂韧度KIc、KIIc和压剪状态下Ⅰ、Ⅱ型复合断裂判据。研究成果为分析水岩作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了重要的参考。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

岩石细观统计渗流模型研究(Ⅰ): 理论模型

渗流模型是岩石流固耦合研究的一个关键问题。岩石在裂纹开始产生至裂纹充分贯通前，其渗透性质受内部孔隙和不断演化的微裂纹的共同控制。目前，岩石的渗流模型一般只是针对单纯的裂隙（或裂隙网络）或孔隙建立的，因此，不能很好地描述岩石裂纹扩展演化过程中的渗透性质和现象。针对这一问题，提出了岩石细观统计渗流模型，该模型将岩石裂纹演化过程中的渗透性视为一个非线性动态过程，同时，考虑了裂纹扩展演化和孔隙渗流的共同作用。因此，该模型可用于分析岩石裂纹扩展过程中的渗透性演化。     

基于DDA的裂隙岩体非饱和渗流应力耦合模型研究

岩体饱和–非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。目前对于裂隙岩体饱和渗流应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析。根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了新的基于DDA方法的非饱和渗流应力耦合模型。并给出了在库水位骤降工况下的边坡水力耦合算例,其计算结果显示在库水位骤降情况下：考虑水力耦合且库水位下降较快时的安全系数要小于库水位下降慢时的安全系数;考虑水力耦合的边坡稳定安全系数要小于不考虑耦合时的安全系数。仿真实验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的。     

耦合渗流-变形的数值流形法裂隙岩质边坡稳定性分析

岩石裂隙渗流问题作为影响岩石边坡失稳的重要因素吸引了越来越多研究者采用不同的数值方法模拟其力学行为。提出了一种基于渗流-变形耦合模型的数值流形方法,并相应地讨论了岩体裂隙网络中地下水的流动、渗透压力和岩石变形的耦合效应。基于最小能量原理,分别推导渗流条件下单元边界流体压力和系统的整体平衡方程,以及块体接触算法求解任意岩石裂缝的局部安全系数。通过一系列验证实例对所提出的数模模型进行检验,验证了该数值模型的鲁棒性和有效性。利用该方法模拟了一个岩石边坡由于渗流作用而发生的坍塌事故,再现了岩石边坡的破坏过程。模拟结果表明,过大的水力压力导致垂直裂缝张开,增加岩体变形量,最终导致边坡破坏。研究表明,该方法在模拟大规模工程问题方面具有很大的潜力。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明：裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。     

岩体渗流分析的无网格方法

岩体的渗透破坏、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由于岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。应用无网格方法来求解岩体的渗流问题,通过变分原理详细推导无网格方法求解岩体渗流的离散方程及相关的计算公式,并利用有限元耦合方法对边界条件进行了处理。通过两个数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

脆性岩石三轴压缩渐裂过程中的渗透性演化规律研究

岩石渐进破坏伴随着裂纹的开展发育,岩石的渗透性演化与裂纹的开展规律有着密切的联系。运用三轴渗流伺服装置对凝灰岩进行了不同围压和渗压下的渗流-应力耦合试验,分析了岩石在渐裂过程中不同裂纹开展阶段渗透率的演化规律。结果表明：在裂纹的稳定扩展阶段,渗透率的变化不明显,起裂强度对应的渗透率可用于确定最小渗透率;进入裂纹非稳定扩展阶段后,渗透率出现明显增大,增大过程可以分为两个阶段,裂纹环向应变能较好地反映渗透率增大的两个阶段,其拐点可用于确定起始渗透率的位置;在峰后软化阶段,渗透率出现下降并进入残余稳定阶段,裂纹环向应变率可以反映渗透率的下降阶段,并可用于确定峰值渗透率的位置。     

降雨条件下软岩边坡渗流-软化分析方法及其灾变机制

降雨条件下软岩边坡的灾变问题是滑坡领域研究的热点与难点。采用间接耦合法进行软岩边坡降雨入渗分析,根据软岩边坡非饱和渗流-应力计算原理,建立了软岩边坡渗流效应分析方法;将软岩抗剪强度的遇水软化特征动态赋予暂态饱和区中对应的软岩体,模拟降雨渗流条件下软岩边坡的软化效应;将渗流与软化相结合,建立基于暂态饱和区的软岩边坡降雨-渗流-软化-灾变的数值分析方法,并用于实例边坡的降雨灾变机制分析。结果显示,软岩边坡潜在滑动面深度随时间逐渐变浅,安全系数-时程曲线呈反向复曲线形态,当边坡开始软化时曲线上出现拐点。边坡稳定性计算结果与实际情况基本相符,表明思路与方法具有一定正确性,可为软岩边坡治理方案设计提供理论依据。     

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。     

锦屏二级水电站引水隧洞长期稳定性数值分析

针对锦屏II水电站深埋引水隧洞高地应力、强渗透压的复杂赋存环境及硬脆性岩体的特点,采用凝聚力弱化-摩擦强化（CWFS）模型反映岩体的脆塑性变形特点。采用黏弹性模型反映其黏性变形规律,基于现场的位移监测资料,通过遗传规划和粒子群算法的流变模型及参数识别方法得到黏弹脆塑性流变模型及其参数,利用大型岩土工程分析软件FLAC3D,模拟了隧洞群岩体的流变力学行为、喷锚支护型式及其与围岩相互作用机制以及工程结构体在高渗透压下的流固耦合效应。通过模拟结果的分析,采用位移、位移速率、应力、破坏接近度及支护结构的受力状况等状态信息的综合集成分析方法,对此工程围岩及结构体在复杂赋存环境中的长期稳定性状态进行了评价,并论证了现有设计方案的合理性,为指导工程设计和施工起到重要的作用。