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。     

隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法,根据岩体的基本结构特征及代表性单元体（REV）是否存在提出了流固耦合模型的建立方法;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法;利用数值法研究了隧道开挖渗流与应力耦合问题,得到变形和渗流场的变化规律。结果表明,隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、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时是应该考虑渗流效应的。     

越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析

隧道开挖和由开挖引起的地下水渗流引起围岩应力重新分布,对隧道围岩的稳定性有重要的影响。本文把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来,根据渗流场边界建立了合理的三维有限元分析模型,对规划完成的某越江隧道开挖过程的水-力耦合效应进行了研究,建立了稳定流条件下渗流-应力耦合的基本方程,分析了孔隙水压力随隧道开挖过程的变化规律和水力耦合对围岩位移、应力及支护结构应力的影响程度。数值计算结果表明,渗透系数大的岩层渗流速度和位移受渗流的影响较大,渗流使隧道围岩的位移和应力及支护结构的应力都有较大的增加,水下隧道的设计和施工应该考虑渗流效应。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究

近年来,我国修建的长大隧道经常遭遇高压地下水作用,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合作用。对于高水压隧道而言,按照耦合过程中围岩的破坏情况,可以分为变形过程中的耦合作用和破裂过程中的耦合作用。如果只考虑隧道开挖后围岩的变形,则渗流-应力耦合作用可概括为天然充填物变形、无充填裂隙接触变形、裂隙时效变形和人工充填物变形等模式。考虑隧道开挖过程中围岩的破坏,则渗流-应力耦合作用可以概括为卸荷和水力劈裂裂隙模式。在隧道二次应力场中,变形和破裂过程相伴而生,耦合作用模式的建立可以为隧道设计、施工及地质灾害防治提供明确的概念模型和参考依据。     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明：在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。     

核废料地质处置概念库锚喷支护坑道热-水-应力耦合效应的二维离散元分析

假定一个核废料地质处置库位于具有一定水头的饱和节理岩体中,开挖完闭施作系统锚杆和喷混凝土支护。对坑道建造和一个50年期的热-水应力（T-H-M）耦合运营过程,使用UDEC程序进行数值模拟,分析无、有支护时近场围岩中的应力、变形、塑性区、温度、渗流的变化状态,以及不同场（温度、渗流、应力）耦合条件下的锚杆和喷混凝土中的承载情况。结果显示,喷混凝土和系统锚杆支护不仅具有常规的支护功能,并且可阻滞地下水从坑道表面的自由渗出,使得围岩中塑性区减小,裂隙水压力和温度升高;相比于应力单场作用的情况,在热-水-力耦合的条件下洞室围岩的稳定性下降,支护结构的受力状况变差。     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度-渗流-应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度-渗流-应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度-渗流-应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度-渗流-应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度-渗流-应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度?渗流?应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而,高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度?渗流?应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度?渗流?应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度?渗流?应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度?渗流?应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

云岭隧道围岩监测免疫智能正演反分析

深埋长隧道中大变形、高应力、复杂的工程地质环境和长期使用需要使得对隧道围岩的稳定性分析成为决定深埋长大隧道工程成败的关键问题.利用位移反分析法分析确定围岩参数是目前研究的一个重点, 用以处理隧道围岩物理力学参数与量测信息之间的非线性关系, 对围岩二次支护方案进行判断、调整.而人工智能在识别、表达与处理这种复杂的非线性关系方面表现了极强的能力.通过对十漫高速公路云岭隧道围岩变形进行监控测量, 结合生物仿真系统和快速拉格朗日分析软件(FLAC) 进行正演分析, 利用神经网络的高度非线性、网络推理和网络耦合能力, 通过数值分析软件获得神经网络训练所需要的输出向量, 以可自适应调节的免疫算法为搜索工具对参数进行全局空间搜寻, 寻找最佳网络结构, 利用量测信息反分析寻找最佳参数, 得出结果再通过正向计算进行验证.通过智能反演分析, 改进了原勘测资料中的建议值, 调整了支护方案, 得到满意结论.表明本文所提反演分析对隧道围岩稳定性评价及信息化设计的实际意义.      

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型研究(Ⅱ):数值仿真和参数反演

进一步分析了第Ⅰ部分[1]提出的泥岩渗流-应力耦合蠕变损伤模型。在连续损伤力学理论和比奥(Biot)理论的基础上,导出了考虑渗流-应力-损伤耦合的蠕变损伤有限元格式,建立了弹性预测、塑性修正、损伤修正-渗透系数修正的数值分析框架,编制了非线性有限元分析程序。根据监测的衬砌长期变形数据,采用优化反分析法获得了蠕变损伤模型中的待定参数,并应用于比利时核废料库施工过程中泥岩巷道围岩渗流-应力耦合过程、损伤演化以及长期稳定性分析,研究结果表明,泥岩开挖后渗透性明显增大,约为原岩的120倍,蠕变效应导致泥岩裂隙和渗透性自愈合,约3.5年后渗透性基本恢复到原岩的数量级,围岩中部的蠕变明显大于顶部和底部。研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义。     

层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型及工程应用

岩体渗流-应力耦合作用的研究是国内岩体渗流领域研究的热点问题,该问题在层状边坡工程中尤为常见。考虑到层状边坡岩体普遍存在的各向异性特征及渗流-应力耦合问题,基于等效连续介质模型和Louis经验公式,建立了层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型,应用COMSOL多物理场耦合软件对模型进行了数值计算。结果表明：该模型能够反映层状边坡岩体的各向异性变形及地下水渗流的非均匀性和各向异性特征。依托抚顺西露天矿南帮工程实例,通过采用不同的模型进行对比分析,研究了该边坡E800剖面地下水渗流情况。结果表明：采用该模型计算的潜水面与实际情况吻合较好,显示了该模型在层状边坡工程中良好的应用前景。     

裸洞隧道病害形成耦合机制分析

裸洞隧道病害的产生主要是地下应力场在损伤、渗流、温度等因素的耦合作用下形成的,是非常复杂的非线性耦合过程。从裸洞隧道开挖后的弹塑性应力场出发,使用Bui损伤模型与地下水渗流场组成的激励-反应耦合系统研究病害形成的耦合机制。结果表明,裸洞隧道病害是损伤和渗流耦合强度因子在0.5左右时产生的,随着隧道围岩裂隙的扩展和损伤程度的加剧,围岩塑性区半径随水压力的增加而迅速增大,加速隧道病害的产生,其结果为探明裸洞隧道病害形成机制研究、治理与防护起到一定的理论指导意义。     

隧道围岩稳定性正算反演分析研究——以厦门海底隧道穿越风化深槽施工安全监控为例介绍

为了降低海底隧道施工风险,确保隧道施工顺利穿越海底几处风化深槽和风化囊区域,解决难以获得隧道围岩力学参数的技术难题,采用位移反分析方法建立了动态反演预测模型;作为比较,还简单介绍了弹塑性反演的一种全局优化方法。根据隧道典型断面实际监控量测的围岩拱顶沉降量和周边收敛位移量,结合先行服务隧道揭露的水文地质情况,进行优化反演分析,得到该类围岩初期支护后的等效弹性模量和等效侧压力系数。在相应的同类地质条件下,对后续将开挖的左、右主洞围岩采用边界元法进行正演数值计算,使之能为主洞施工方案比选以及支护设计参数调整与修正提供定量依据,做到信息化动态设计与施工。工程实例分析表明,利用正算反演分析法得出的围岩等效力学参数是可靠的,可据此对类似地质条件下主隧道围岩进行正演计算分析,预测主洞围岩的变形破坏模式,判断其围岩稳定性。位移反分析法是隧道施工变形理论预测分析与工程实际相联系的有效平台,为工程设计施工技术决策提供了一种切实有效的途径。     

基于渗流-损伤-应力耦合作用下考虑力学参数弱化的巷道围岩变形破坏分析

地下工程岩体渗流-损伤-应力耦合问题的研究对于巷道围岩的稳定性分析具有重要意义。本文在总结分析了巷道变形破坏类型影响因素的基础上,基于弹塑性力学、渗流力学以及损伤理论建立了岩体渗流-损伤-应力耦合模型。该模型充分考虑了多物理场耦合过程中,工程岩体的非均质性,岩体力学参数发生的动态弱化过程,围岩塑性屈服的峰后特性以及渗透系数在损伤过程中的突变性。基于多物理场耦合软件,数值模拟结果分析得到,使用该模型能更好地反映巷道围岩的屈服破坏程度和渐进破坏过程。应用该模型分析不同深度下的巷道围岩渐进性破坏过程可以得出:水平地应力为主导的地层中的巷道,屈服破坏主要发生在顶拱和底板,竖直地应力为主导的地层中的巷道,屈服破坏主要发生在两侧边墙,水平地应力和竖直地应力相近的地层中,巷道四周均发生不同程度的破坏,这与工程实际有很好的符合。     

泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究

在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb 破坏准则,用于分析在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用下岩石损伤演化机制,建立了相应的有限元损伤数值分析模型,并应用于比利时核废料库开挖过程中泥岩隧道附近围岩发生损伤演化、渗流场和应力场耦合过程分析中,得到了开挖引起的围岩损伤特性、孔隙压力以及渗透性的变化规律,为进一步研究隧道流变过程水力耦合特性合理的数值计算模型建立方法提供基础。     

考虑细观等效热学参数的高放废物处置库围岩应力−渗流−温度耦合模拟方法

高放废物处置库中乏燃料持续释放的热量对围岩的应力场和渗流场及其长期稳定性具有重要影响。围岩的热学参数依赖于岩石矿物组成、孔隙率和孔隙流体等因素,准确取值是进行高放废物地质处置库多场耦合分析的前提。通过细观力学分析,建立了围岩等效热学参数（热容、热传导系数、热膨胀系数）取值方法,并基于Biot孔隙介质理论,建立应力?温度?渗流三场耦合模型,进而提出了高放废物处置库围岩应力?渗流?温度耦合数值模拟方法。最后通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件,利用瑞士Mont Terri高放废物地下试验室围岩温度?渗流?应力多场耦合现场试验数据对数值模拟方法进行验证,并探讨了温度?渗流?应力耦合过程的演化规律。研究表明,模拟结果和试验值吻合良好。研究结果可为我国高放废物处置库的安全评估和选址提供科学依据。