采水地面沉降时空预测模型研究

地下水开采引起的地面沉降对地面建（构）筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁,深入研究采水地面沉降预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。针对本构模型和土体参数确定上的困难,采用力学推理和数学统计相结合的方法,建立了新的采水地面沉降时空预测模型。首先,利用太沙基固结微分方程,建立了反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析采水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究了采水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑采水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立了采水地面沉降的时空预测模型。利用该模型计算地面沉降共需4个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用时空计算模型预测了某地单井采水引起地面沉降的时空规律。研究表明,所建立的采水地面沉降预测模型能准确地反映采水地面沉降的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地面沉降。     

基于随机介质理论的抽水地表变形时空耦合预测模型

抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。     

隧道开挖地表移动计算软件SASMD的开发

从随机介质理论出发,简述了隧道开挖引起地表位移与变形计算所采用的理论与方法,介绍了基于随机介质理论而研制的隧道开挖引起地表位移与变形计算软件SASMD的设计思想、整体结构和主要特点,列举了若干个用SASMD软件所计算的工程实例。通过与实测值的比较,证明了基于随机介质理论而研制的SASMD软件具有精确度高、结果可靠、使用方便的特点,适于科技人员在分析隧道开挖引起地表位移与变形时使用。     

深埋隧洞开挖数值模拟分析的纵向模型范围研究

模型范围是影响数值分析计算精度与效率的重要因素,针对深埋隧洞开挖数值模拟分析问题,采用有限差分软件FLAC3D和复合失稳准则,对计算模型的纵向范围取值问题展开研究。首先分析了深埋隧洞开挖过程中围岩纵向变形以及未开挖岩塞对围岩变形的约束作用,然后研究了近端边界和远端边界对监测断面位置处围岩变形的影响,最后采用最小二乘法对多组计算结果进行了位移误差分析,并给出了纵向模型范围的取值建议。研究结果表明,当监测断面距掌子面大于10倍洞径时,未开挖岩塞的约束作用基本消失;远端边界以及近端边界与监测断面的最大位移误差值之间均基本满足幂函数关系,且远端边界对监测点位移误差的影响要大于近端边界;深埋隧洞开挖数值模拟中,纵向模型范围取7.5倍洞径即可满足一般数值分析的精度要求。     

深埋隧洞开挖数值模拟分析的纵向模型范围研究EI北大核心CSCD

模型范围是影响数值分析计算精度与效率的重要因素,针对深埋隧洞开挖数值模拟分析问题,采用有限差分软件FLAC^(3D)和复合失稳准则,对计算模型的纵向范围取值问题展开研究。首先分析了深埋隧洞开挖过程中围岩纵向变形以及未开挖岩塞对围岩变形的约束作用,然后研究了近端边界和远端边界对监测断面位置处围岩变形的影响,最后采用最小二乘法对多组计算结果进行了位移误差分析,并给出了纵向模型范围的取值建议。研究结果表明,当监测断面距掌子面大于10倍洞径时,未开挖岩塞的约束作用基本消失;远端边界以及近端边界与监测断面的最大位移误差值之间均基本满足幂函数关系,且远端边界对监测点位移误差的影响要大于近端边界;深埋隧洞开挖数值模拟中,纵向模型范围取7.5倍洞径即可满足一般数值分析的精度要求。     

某地铁区间隧道冻结施工冻胀效应随机预测分析

土层冻结引发冻胀,引起地面上升和变形,过量的不均匀沉降或变形可能危及周围地面建筑.南京地铁某区间隧道穿过地层为软一流塑状淤泥质粉质粘土,拟采用人工冻结法作为辅助施工方法穿越该不良地段.为对地面建筑物进行变形控制,需要对冻结法施工冻胀效应进行预测.采用随机介质理论对该工程冻结施工的冻胀效应进行预测,介绍了冻胀效应分析的基本过程,编制了计算分析程序,分析了水平冻胀引起的地面隆起、曲率变形规律.结果表明:水平冻胀引起的地面变形均满足地面变形控制要求.     

基于等效连续介质模型的单裂隙渗流数值模拟研究

基岩裂隙介质的空间变异性导致裂隙渗流情况十分复杂。在等效连续介质模型的基础上,建立数值分析模型研究了裂隙宽度和渗透系数对单裂隙渗流的影响。利用单裂隙立方定律对裂隙流量进行解析计算,并在单一变量研究原则下,利用MODFLOW创建了光滑平行板单裂隙介质的数值模型。据等效理论,将单裂隙宽度放大10倍的条件下,解析解计算结果比模拟结果高出6个数量级;不同裂隙宽度条件下,数值模拟结果与解析计算结果都表现出通过单个裂隙的水流量随着裂隙的宽度的增加而增加;不同渗透系数条件下,稳定流与非稳定流条件下得到的流量都随渗透系数的减小而变小。     

地震液化引起的地面大位移研究进展

液化引起的地面大位移研究是岩土地震工程的前沿课题之一,仅有几十年的研究历史。在综合有关资料的基础上,介绍了地震液化后地面大位移的现场调查情况、室内试验情况; 总结了液化后土体特征和动力本构模型;简述了对液化后地面大位移的计算方法: 经验法、简化法和数值法。     

非稳定流定降深法在矿井涌水量预测中的应用

矿井涌水量预测是否准确对矿井安全生产至关重要,其计算方法也多种多样。如何预测的更为准确是关键所在。以新上海一号煤矿为例,利用非稳定流定降深法预测了开采八煤层顶板的矿井涌水量。结合矿井煤层顶板实际突水案例与其它计算方法展开了对比与讨论,结果表明非稳定流定降深法更能充分利用非稳定流抽水试验求得的水文地质参数,计算过程简单、明了,比传统的稳定流解析法、以及数值法更直观、实用,在水文地质领域中值得采用和推广。     

软岩矿区地面下沉及其对工业建筑物影响分析

根据鲁中软岩矿区开采引起地面下沉及地面井塔楼等建筑物倾斜变形的工程实际,采用非确定性研究方法,将深埋破碎金属矿体开采引起地面沉陷或岩体移动变形这一客观现象视为一随机事件,建立了开采引起地面沉陷或岩体移动变形分析的数学模型。利用该模型可对开采引起地面沉陷及其对地表工业建筑物影响进行具体分析评价。通过具体计算分析结果表明,在软岩地层条件下矿体开采地表移动变形的影响范围有随着采深的增加而逐渐增大的趋势。     

岩溶裂隙地下水流数学模型求解的有限体积法及应用

岩溶裂隙介质可视为双重孔隙度介质。根据水流连续性原理、质量守衡和达西定律,建立了裂隙-岩溶承压含水层非稳定流双重介质数学模型,采用有限体积法对其求解,并以深圳龙岗区为例对模型进行验证。结果表明,计算模型与实际水文地质条件比较接近,计算水位与实测水位相吻合。     

基于数值模拟的区域性地下水补给过程实例研究

研究主要目的是以数值模拟的方法,再现选定的研究区域20世纪70~90年代地下水位处于较低水平的过程并推求地下水的补给过程。研究区为某流域入海口前10×12km2的矩形区域,基于研究区土层纵断面的物理条件,在平面二维的基础上,考虑含水层垂向水收支成分,利用地下水计算的基本方程式开发地下水准三维数值计算模型,以数值模拟的方法验证模型效率。对地下水位数值模拟的结果表明,模型效率可以达到80%以上。基于1966~2005年的数值计算结果,推求了研究区各含水层的补给过程。研究结果可为区域性地下水数值模拟技术及地下水资源量的评估等研究提供方法上的借鉴。     

地质统计学方法在地下水水位估值中应用

对于许多区域水资源或水环境问题,地下水水流模拟往往要采用数值方法,需给出每个节点上初始水位值,以反映流场的初始状态。另外,地下水水位动态长期监测分析,需由观测点水位估计任一点的水位。文中阐述了地下水水位估值的地质统计学方法－泛克立格法原理,以河南省焦作市修武段地下水数值模拟分析区为例,分析了用一次、二次漂移的泛克立格方法模拟地下水初始流场的估值情况和对真实流场特征的反映情况。指出在进行区域地下水位     

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用领域的研究等。     

河渠水位曲线回水影响半无限含水层河渠附近地下水非稳定流计算

本文探讨河渠水位呈曲线变化时,河渠附近地下水非稳定运动问题。抛开经典河渠附近地下水非稳定渗流理论之瞬时回水的假设条件,重新推导河渠影响半无限潜水含水层地下水非稳定流计算公式。应用数值逼近的理论、逼近河渠水位变化规律。给出河渠水位以任意次多项式规律变化的一系列地下水非稳定流计算公式。从理论上证明了瞬时回水假设的根本矛盾,并用一实际例子对比计算加以验证。指出了抛弃瞬时回水的假设条件,重新建立一套全新的河渠附近地下水非稳定流理论的必要性。     

区域地下水动态数值模拟

在系统综述区域地下水数值模拟的基础上,运用有限差分和有限体积法,结合济南泉域裂隙岩溶地下水含水介质系统,采用二维非稳定流数学模型进行了数值模拟,对泉域地下水动态变化进行了评价,为泉域地下水资源评价与管理提供了一种有效的分析手段,为区域地下水资源的科学管理提供了有意义的参考。     

地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

Pumping-induced stress and strain in aquifer systems in Wuxi,China

Excessive groundwater withdrawal from an aquifer system leads to three-dimensional displacement, causing changes in the states of stress and strain. Often, land subsidence and sometimes earth fissures ensue. Field investigation indicates that land subsidence and earth fissures in Wuxi, a city in eastern China, are mainly due to excessive groundwater withdrawal, and that they are temporally and spatially related to groundwater pumping. Groundwater withdrawal may cause tensile strain to develop in aquifer systems, but tensile strain does not definitely mean tensile stress. Where earth fissures are concerned, the stress state should be adopted in numerical simulations instead of the strain state and displacement. The numerical simulation undertaken for the Wuxi area shows that the zone of tensile strain occupies a large area on the ground surface; nevertheless, the zone of tensile stress is very limited. The zone of tensile stress often occurs near the ground surface, beneath which the depth to the bedrock surface is relatively small and has considerable variability. Earth fissures often initiate near the ground surface where tensile stress occurs. Tensile stress and earth fissures rarely develop at the centers of land subsidence bowls, where compressive stress is dominant.     

Three-dimensional finite element modelling for consolidation due to groundwater withdrawal in a desaturating anisotropic aquifer system

A poroelastic numerical model is presented to evaluate three-dimensional consolidation due to groundwater withdrawal from desaturating anisotropic porous media. This numerical model is developed based on the fully coupled governing equations for groundwater flow in deforming variably saturated porous media and the Galerkin finite element method. Two different cases of unsaturated aquifers are simulated for the purpose of comparison: a cross-anisotropic soil aquifer, and a corresponding isotropic soil aquifer composed of a geometrically averaged equivalent material. The numerical simulation results show that the anisotropy has a significant effect on the shapes of three-dimensional hydraulic head distribution and displacement vector fields. Such an effect of anisotropy is caused by the uneven partitioning of the hydraulic pumping stress between the vertical and horizontal directions in both groundwater flow field and solid skeleton deformation field. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

注浆抬升地层的机制、解析解及数值模拟分析

注浆抬升地表是地下工程施工控制地层和邻近建筑物沉降的常用工法。目前,注浆设计主要依靠现场监测和工程经验。数值方法模拟注浆效果通常是通过提高注浆区域的土性参数来实现的,但该方法忽略了注浆抬升对地层的补偿作用。通过研究注浆引起的土体体积膨胀的机制,将注浆体积、土体体积应变增量、位移大小三者联系在一起。采用了一种模拟注浆抬升地层的数值方法。在该数值方法中,给出了土体体积应变的计算方法,提出了施加“虚拟”膨胀压力来增加单元体积,并通过判断单元体积应变增量是否达到土体体积应变增量来控制模拟注浆的过程。其方法的优点在于：施加在单元上的膨胀压力可以是一个虚拟的压力,而无需是实际注浆压力。通过解析解与数值解对比分析,验证了这种数值方法的正确性和可行性。