基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

1. 浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018;2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240; 3. 浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州 310016     

危岩水力劈裂分析的扩展有限元法

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。     

岩体结构与岩体水力耦合计算模型

水力耦合作用是岩体中力学过程与渗流过程相互作用的物理过程。水力耦合机理的理解是水力耦合分析的关键问题,其耦合机理是由岩体结构特性决定的。在分析岩体水力耦合过程基础上,根据岩体的基本结构及代表性单元体（REV）是否存在提出了建立水力耦合模型的方法。当裂隙岩体中不存在代表性单元体（REV）时,提出了裂隙岩体多重介质流固耦合分析的全耦合数学模型,给出流固耦合模型数值方法求解的数学模型及有限元计算表达式。程序编制和验证工作正在进行中。     

裂隙岩体水力劈裂研究综述

作为裂隙岩体渗流-应力耦合研究的一个子课题,岩体水力劈裂问题的研究尚处于初始阶段,许多基本的理论问题尚待深入研究。当今许多大型工程的建设已经在向地下发展,建设在地下的各种建筑结构离不开水压的作用。工程建设的需要正在推动岩体水力劈裂理论的研究。水力劈裂作为一种技术最初在石油工业用来增加油井产量,后来逐渐用于初始地应力测量等其他工程项目。随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、井工矿产采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多工程岩体稳定性研究者的关注。通过对水力劈裂研究的现状作较为详细地综述,列举了当今研究的理论、方法和成果,以及目前水力劈裂研究的热点问题,并作了简单评述。最后,指出了目前需要重点研究的几个关键问题。     

基于扩展有限元法的碳酸盐岩地热储层岩体裂缝扩展行为

水力压裂作为一种主要的地热能开采手段,其压裂效果除与岩体基本物理力学性质有关外,还与裂隙分布、地应力状态、压裂工程参数等密切相关.为了探究以上因素对水力压裂过程中裂缝扩展行为的影响,以冀中坳陷碳酸盐岩储层岩体为研究对象,基于扩展有限元法,建立裂缝扩展流固耦合模型,分析了水平应力差、射孔方位角、注入液排量和压裂液黏度等参数对裂缝扩展行为的影响.结果表明:单裂缝扩展时,射孔方位角越小、注入量越大、越有利于裂缝扩展;双裂缝扩展时,水平应力差增大,裂缝偏转程度变小;水力裂缝与天然裂缝相交时,较小水平应力差有利于天然裂缝开启.     

八宝山断裂带浅部岩体水力耦合模型

八宝山断裂带是北京西部的一条活动断裂,观测表明其形变、地下水位和降水之间存在强相关性。从大灰厂观测站的断裂带条件和观测系统布置来判断,这种强相关性是浅部破碎岩体渗流-应力耦合机制的结果。断裂带浅部岩体可以分为无压区和承压区。降水能够直接入渗补给无压区,也能够渗入到承压区上部的上盘岩体风化带,从而同时影响断裂带和风化带的地下水位。一个7参数的线性水力耦合模型给出了与实测动态基本一致的垂向形变、地下水位模拟结果。模型分析表明观测到的垂向变形主要由无压区地下水位升降引起的膨胀和收缩变形构成,而上盘湿润或疏干引起的重量变化对垂向变形贡献很小。由于断裂带的地下水排泄基准面和水准基台值可能存在某种外在因素引起的变化,模型参数可能不够稳定,需要进一步调查研究。     

不连续岩体扩展有限元法的前处理

扩展有限元法是针对不连续问题提出的一种改进的有限元法,由于其计算网格独立于结构内不连续面,该方法十分适用于处理不连续问题,因此,该方法需能将不连续面和计算网格的几何信息转化为计算分析所需的单元拓扑信息的前处理。针对扩展有限元法在不连续岩体问题中的应用,系统地研究了二维扩展有限元解决不连续问题时单元拓扑信息生成等前处理问题,给出了单元拓扑信息自动生成算法,将不连续面和计算网格几何信息转化为计算所需要的单元拓扑信息,并在此基础上开发了不连续岩体二维扩展有限元法前处理程序。结果表明该算法和程序的适用性和正确性,同时还表明扩展有限元法在不连续岩体问题求解中有较好的应用前景     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

水力劈裂对岩体中自然裂纹的影响研究

建立了求解自然裂纹和水力裂纹扩展的扩展有限元法,对裂纹附近区域的节点采用广义形函数,并采用线增函数消除混合单元,以提高裂纹附近的精度。引入水力劈裂的非耦合模型,即假设裂纹中的水压力为均布力;用砂浆法（线段-线段接触法）结合增广型拉格朗日乘子法处理受压裂纹段的接触条件。并通过算例分析了以下内容：计算了受压裂纹和裂纹面分布均布水压力的水力裂纹的应力强度因子,并与解析解进行了比较,结果表明,提出的方法具有很高的精度;模拟了水力裂纹对自然裂纹面的影响,并分析了自然裂纹面上的接触力和接触状态。     

洞周岩体内裂纹水力劈裂临界水压分析计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。     

水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究

以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展问题,推导出裂缝面内的压降方程表达式,并编写出用户子程序嵌入到ABAQUS中。建立的计算模型能够模拟地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论,采用有限元软件ABAQUS求解可渗透油藏水力压裂扩展过程问题是可行的;提出了临界宽度的概念,它可以作为判断裂缝是作为起渗透作用的孔隙通道还是作为起导流作用的裂缝的依据;其结论对于压裂作业优化具有参考价值。     

自然营造力作用下岩体混凝土水力劈裂分析与探讨

水利水电、矿业等工程在自然营造力作用下的水力劈裂边界条件与人工致裂不完全相同,有其自身的特点。在总结自然营造力作用下水力劈裂特点的基础上,根据研究的尺度不同,将水力劈裂研究分为岩体宏观的、综合的、统计意义上的水力劈裂和单裂纹的水力劈裂研究两种。分析了单裂纹内水流特性,将单裂纹内的水力劈裂分为两个阶段（或两种情况）分别进行研究,并将此问题得以简化,同时还提出了不同阶段裂纹内水流运动分析的模型。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。      

多裂纹扩展的扩展有限元法分析

建立了求解多裂纹扩展的扩展有限元法。引入裂纹交叉汇合加强函数以分析多裂纹交叉汇合过程;在裂纹附近区域使用广义形函数,并引入线增函数消除混合单元,可有效地提高裂纹附近的精度;用砂浆法（线段-线段接触法）结合增广型Lagrange乘子法处理裂纹段的接触条件,可以精确地模拟裂纹面约束,并方便地求解控制方程。算例分析了两方面内容：（1）计算交叉裂纹体的应力强度因子,结果表明提出的方法精度高;（2）模拟多裂纹扩展及交叉汇合过程,模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得较好,表明了方法的可靠性。     

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。     

岩体结构面计算机三维扩展模型研究

结合水电站工程采集岩体结构数据的特点,详细介绍岩体中结构面在空间上的扩展与延拓方法,即试图利用有限的地质数据,建立结构面的拟合函数,从而实现三维地质模型可视化。     

扩展有限元法的数值方面

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其原理是在裂尖附近用一些奇异函数和沿裂纹面用阶跃函数加强传统有限元的基,以考虑跨过裂纹的位移场的不连续,该加强策略允许计算网格独立于不连续体几何。讨论了扩展有限元法的一些数值方面,主要包括：水平集法确定界面和加强节点与加强方式、裂尖加强范围的选择、J积分区域的确定和积分方案等。