岩爆及采矿诱发岩体失稳破坏过程数值模拟新方法

岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的,应用新的数值计算软件RFPA(2D)——基于岩石宏观非线性行为可能是由具弹脆性特征的细观微元体不断破裂造成的,造成微元体不断破裂(并非某一时刻同时破裂)的原因是微元体材料性质(微元体强度、弹性模量和泊松比等参数)的非均匀性,是一个数学上相对简单但能充分考虑岩石介质复杂性的方法,对采动引起岩体失稳破坏的全过程进行了数值模拟研究,表明应用RFPA(2D)是切实可行的。      

基于损伤过程的非均质岩体声发射及破坏规律数值模拟研究

声发射事件数大小及源分布特征是岩体损伤演化过程的直接表征。在前人研究的基础上,以数值模拟的方法,考虑细观非均匀特性,采用基于应变软化的弹-脆-塑性模型描述基元的损伤与破坏过程。借助FLAC3D软件中的FISH函数实现了以Weibull分布随机赋予基元材料属性及对声发射事件数的记录,从时间序列上探讨非均匀性对岩体声发射现象的影响,结果表明,均质度对于岩体的声发射规律及破坏模式影响显著。     

节理岩体冲击破坏的数值流形方法模拟

节理的存在是岩体明显区别于岩石的一个重要特征,也是导致岩体具有非均质性及各向异性的一个重要因素。节理岩体在爆炸冲击荷载作用下的破坏特征不仅是岩体力学研究的一个热点问题,也是岩石爆破领域经常遇到的一个工程问题。目前,常用的有限元和离散元等数值方法都不能很客观地反映岩体中节理分布的实际规律,而最新出现的数值流形方法则完全能够按照岩体中节理的实际分布规律进行建模,并能够很好地模拟岩体在外力作用下新裂纹的产生及已有节理的开裂。对3种不同节理岩体,即无节理岩体、均布水平节理岩体、均布垂直节理岩体等在均布垂直于圆周方向上的冲击荷载作用下的破坏过程进行了模拟。由模拟结果可以明显看出,节理的存在对岩体的破坏型式起到了关键性的控制作用。对于完整岩体,其破坏型式呈现出了很好的对称性;而对于水平及垂直节理岩体,其破坏型式在很大程度上受到节理分布的控制。研究结果对岩石爆破工程设计具有一定的指导意义。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

基于逆向工程建模方法的危岩体稳定性数值模拟分析

高陡岩质边坡危岩体失稳机理与稳定性评价一直是学者们关注的重点问题。相比于以定性分析为主的传统稳定性评价方法, 数值模拟分析方法在危岩体稳定性评价工作中得到越来越广泛的应用。而如何快速准确地建立复杂三维精细化地质模型, 尽可能还原岩体结构特征信息, 并与数值模拟软件进行无损对接, 进而定量评价危岩体稳定性仍是目前急需解决的问题。在野外现场调查结果的基础上, 对浙江神仙居景区神龙瀑景点处的地质灾害隐患点进行高精度三维激光扫描, 基于逆向工程建模软件Geomagic Studio, 对扫描获取的点云数据进行模型重建, 借助有限元网格划分软件Hypermesh对曲面模型进行三维实体化和网格划分处理, 再导入数值模拟软件FLAC3D中进行计算。结果表明, 神龙瀑边坡受拉破坏危岩体后缘裂隙最大拉应力接近抗拉强度, 且存在明显位移, 极有可能发生滑移-坠落。然后通过FLAC3D内置FISH语言进行二次开发, 计算结构面塑性破坏单元数目在总单元数目中的占比, 得出危岩体失稳概率为20%以上。该结果与现场灾害调查、数值分析结果相互印证, 预测了危岩体的潜在破坏范围, 提出了相应的防治措施建议。上述分析结果可为当地旅游管理部门的灾害防治工作提供理论依据和指导。     

节理岩体爆破数值模型及模拟研究

运用多刚体系统动力学及接触冲击理论建立了节理岩体弹塑性动态本构模型。基于DYNA－2D程序原理及其框架,利用所建模型,模拟了节理岩体的爆破过程,量化了节理岩体在爆炸载荷作用下不同时刻的应力场。     

脆性岩石破坏数值模拟研究的两个问题

应用数值模拟方法,对脆性岩石单轴压缩情况下破坏规律进行了初步研究,主要讨论了脆性岩石的破坏机理、脆性岩石破坏数值模拟试验中的端部效应问题,并得出了一些初步的结论。在单轴压缩试验中,脆性岩石破坏过程主要以拉伸破坏为主。端部效应则是除了岩石试件本身所具有的材料非均匀性外影响岩石试件破坏形式的另一个重要因素。总体上存在这样的规律,即端部约束越大,岩石试件破坏型式越趋近于“X”型剪胀破坏,端部约束越小,则岩石试件破坏型式越趋近于张拉破坏。     

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟, 是研究岩石工程设计、施工问题的有效途径。本文提出了工程岩体计算数据智能化准备与确定子系统、地质力学作用过程的仿真数值模拟及其快速图形处理子系统, 并将其集成为一体。系统采用人机交互界面及多系统的自动转换, 使整个分析系统能充分发挥其模拟分析及图形处理功能, 方便实用。     

节理岩体法向蠕变特性的数值模拟

对含节理面的岩体模型进行数值模拟,研究节理面倾角、间距和条数等对节理岩体的轴向瞬时应变、轴向蠕变应变的影响。结果表明：(1)含单组平行贯通节理时,且节理面等间距均匀分布时,当节理面的倾角β为90°时,轴向瞬时应变和蠕变应变随节理面条数的增加几乎没有变化。当节理面条数保持不变,随着节理面的倾角β由0°增加至90°时,轴向瞬时应变和轴向蠕变应变呈先增加后减小的变化规律。(2)当节理岩体模型中含有2条交叉的贯通节理面时,竖直荷载方向与第1条节理面间的夹角,以及两条节理面间的夹角对节理岩体的轴向瞬时应变和蠕变应变均有所影响。     

岩土力学数值模拟结果应用中应注意的问题

较系统地阐述了岩土力学数值计算结果应用中应注意的一些问题，指出数值计算结果虽然是定量的，但它们对实际问题的描述是滞具有定量性意义，则取决于对原型的研究程度和模型力学参数取值的可靠性，阐述了数值模拟中可能产生的计算误差，说明岩体破坏的相对性含义，指出综合运用各种分析方法的必要性。     

水布垭马崖高边坡岩体地下开挖三维数值模拟研究

清江水布垭水电站是清江上游拟建的一个特大型水电工程,马崖高边坡位于水布垭峡谷出口右侧,总体地质结构具上硬下软特征,电站导流洞及尾水洞将从马崖高陡边坡坡脚穿出,地下开挖主要在软岩层中。应用FINAL及ROCKY程序对水布垭马崖高陡边坡岩体地下开挖进行数值模拟,研究了边坡岩体内进行地下洞室开挖后边坡力学状态的改变及洞室岩体（含岩柱）的稳定性,基于削坡是水布垭马崖高陡边坡的重要整治措施之一,研究中进行了各种分步开挖工况下的削坡有效性定量研究,重要工况还同时进行了VI度地震作用下的动力作用分析。     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

降雨条件下边坡角度对边坡稳定性影响的数值模拟研究

近年来,降雨所导致的边坡失稳越来越频繁,引起了越来越多专家的重视,因此对降雨条件下边坡角度对边坡稳定性的数值模拟研究无论在理论上还是在工程应用上都具有十分重要的意义。影响边坡稳定性的因素有很多,本文利用数值分析方法研究了降雨时间、边坡角度两个因素对边坡稳定性的影响,比较了降雨历时、边坡角度在降雨过程中对边坡稳定性安全系数的影响。模拟结果表明：相同的降雨强度,相同降雨时间、边坡角度越小,安全系数下降的越快,土中孔隙水压力变化越快。虽然其初始位移较小,但是随着降雨的持续,其位移将越来越大,边坡稳定性降低地越来越快; 坡内经历非稳定渗流、非稳定渗流与稳定渗流和稳定渗流3个过程。该研究结果有助于深入认识降雨引发滑坡的机制,可为治理此类滑坡提供科学依据。     

基于结构面性状对岩体力学性质响应的模拟研究

为研究结构面性状对锦屏大奔流料场边坡岩体性质的影响,在对该边坡砂岩进行室内三轴压缩试验的基础上,开展含4组不同结构面性状岩体的力学模拟测试,最后对该边坡岩体的开挖进行数值模拟。试验结果表明,岩样破坏过程可以分为4个典型的阶段: 弹性变形阶段,屈服阶段,残余强度阶段及塑性流动阶段。随着围压的增大,岩石破坏所需偏应力逐渐增大,且岩石逐渐表现出延性特征。结构面性状模拟结果表明,含软弱充填结构面比不含者对岩体力学性质影响(弱化)大,有倾角结构面比无倾角结构面对岩体性质影响较大,大倾角结构面总体上比小倾角的影响大,软弱充填厚度对岩体内摩擦角影响较大。实例模拟结果表明,开挖卸荷使得边坡后缘岩体产生卸荷回弹变形,产生X向拉伸位移,煌斑岩脉的存在使得塑性区域沿此软弱带发展,开挖第8步时,塑性区贯通,边坡发生失稳。研究结果对陡高边坡岩体开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

边坡治理工程的数值模拟研究

边坡作为地质体，往往具有复杂的结构和地质力学特征，这些特点在一般的边坡治理工程设计中往往难以全面反映。本文结合实际工程，介绍了在较全面考虑边坡质体上述特性的前提下，采用数值模拟方法对边坡治理工程所进行的方案论证和设计优化。     

黄河黑山峡大柳树坝坝址岩体渗漏量及灌浆量数值模拟研究

大坝坝址岩体的渗漏研究对于大坝的安全运营至关重要。在进行渗漏治理的措施中,灌浆是常见的一种,但目前确定灌浆的各项参数,如配合比,孔距等,需通过灌浆试验花费大量的人财物力及时间才能确定。为快速查清每一种灌浆方案所灌浆量,本文针对模拟坝址水库渗漏灌浆效果的三维数值模拟开展了计算研究。在对大柳树坝坝址岩体地质情况及渗漏情况分析的基础上,将蓄水前的地下水运移规律模拟出,与实际通过钻孔平硐资料及分析得出的实际地下水运移规律做比较,验证对地下水运移规律的假设;然后将蓄水后的地下水运移规律模拟出,确定地下水的运移规律,了解地下水运移的方向,验证与根据实际情况初步判断的地下水运移方向是否吻合;最后通过数值模拟确定在一定灌浆浆液配合比的情况下所需灌浆量与实际的灌浆试验结果做比较。得出结果与实际灌浆试验结果吻合,证明通过数值模拟,建立浆液配合比与灌浆效果之间的关系,在类似情况快速地选取配合比是可行的。     

断层影响的水平井套管损坏分析与模拟研究

套管损坏是油气开发过程中一种常见的地质灾害。以往研究主要集中在常规油气竖向套管变形破坏等方面,而在页岩气水平井套管损坏问题中,由于水平套管和竖向套管与陡倾断层之间夹角的差异,以及页岩储层浸水蠕滑效应与常规油气储层相比更为显著,使之与常规油气竖向套管变形破坏的微观机理有一定差别。本文研究的受断层影响的页岩气水平井套损就是一个典型的套管与断层大夹角、储层围岩强蠕滑的灾害问题。针对该问题进行机理分析和仿真模拟,得出：断层剪切活化前套管围岩蠕滑作用产生的径向挤压力可以造成套管缩颈,在断层处表现为套管的差异变形;随着水力压裂及页岩气开采过程中断层的不断活化,断层产生的剪切应力成为套管弯曲错断的主因。模拟结果与机理分析的一致性表明断层面水平套管剪切损坏是围岩蠕滑挤压力和断层活化剪切力共同作用的结果,可为页岩气开发中套损的防治提供参考。