裂隙性粘土力学效应的数值模拟研究

通过对粘土体中普遍发育的三种裂隙模式（平行斜列式、水平波状式和羽斜列式）在荷载下其复合应力、位移场的数值模拟研究,对不同组合模式的裂隙力学效应进行了讨论。     

植物根系与边坡土体间的力学特性研究

建立了根土相互作用的力学模型,在限定根在土体中方位的情况下推导出了由于根的加筋作用所增加的土体抗剪强度公式。并在实验室进行了大量常规直剪试验。对试验结果进行了分析,并和理论计算相比较,结果表明：植物根系可以明显提高土体的抗剪强度;随着含水量的增加,土体和根-土复合体的抗剪强度会下降;直根和斜根对根-土复合体抗剪强度的提高是相似的,都是随着根条数的增加而增加,但斜根的加强作用要大些;随着根条数的增加,根-土复合体的c、φ值都会提高。     

裂隙参数对P波的影响及裂隙检测可行性数值研究

在油气勘探、工程探测等领域中，各向同性介质的背景上，因存在裂隙导致各向异性，描述裂隙的两个主要参数是裂隙密度和裂隙方位。这里以Hudson理论为基础，通过数值计算，分析了描述裂隙介质的两个主要参数对P波速度和衰减的影响，同时，分析了利用P波属性检测裂隙发育带的可行性。     

裂隙岩体水力特征数值模拟试验的初步结果

本文利用文献中的数据进行数值模拟试验,结果表明:流量等效和渗透作用力变形效果等效互不包容;不同级别结构面体系难以用连续介质方法处理,同级别结构面体系在工程作用力变化范围内,可由其静态水力特征推演动态特征;工程岩体结构面间充分连通的假设过于粗糙,常规试验手段获取的量值倾向于局部特征的反映。     

裂隙岩体宏观力学参数的二维数值模拟

岩体通常含许多不同尺度的裂隙,因而力学性质非常复杂。由于现场测试及常规实验室试验常受各种条件的限制,因而其不能准确反映岩体的宏观物理力学性质。本文基于有限元分析软件对二维情况下的完整岩体和含不同倾角的软弱夹层的岩体在单轴和双轴压缩下进行了数值模拟,得到岩体变形的应力-应变曲线。该类曲线能反映裂隙对岩体力学参数的影响,对于指导工程实践有一定的意义,并且为获取岩体力学参数提供了新的途径。     

含孔洞裂隙岩体灌浆后力学特性的物理试验与数值模拟

对不同裂隙倾角的含孔洞裂隙模型试件进行单轴压缩试验,并使用RFPA 2D软件进行数值模拟,对比孔洞不充填和完全灌浆充填2种工况,研究灌浆体对试件应力环境、破裂模式及力学特性参数的影响。试验与数值模拟研究结果均表明:灌浆体减轻了应力集中,表现为最大压应力和最大拉应力下降,降幅分别为7.6%~9.8%、0.4%~9.8%。试件破裂模式、力学特性参数及其孔洞灌浆充填后的变化幅度与预制裂隙倾角紧密相关,水平和竖直裂隙这2种结构型式的试件均呈现为穿切岩桥的破坏模式;而倾斜裂隙试件的破坏受预制裂隙控制,使得峰值强度和残余强度最小,但这2种参数孔洞灌浆充填后的增幅最大。与孔洞不充填试件相比,孔洞完全灌浆充填的物理模型和数值模型试件峰值强度的增幅分别为5.45%~23.33%、4.18%~14.29%,残余强度增幅分别达到31.68%~161.71%、22.54%~73.85%。     

紫花苜蓿根系?黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用,选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系?黄土复合体为研究对象,通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系?黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数,采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征,利用经验公式建立根?土复合体库仑修正模型,并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点,对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明:紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著;紫花苜蓿根系发达,根径在0.2~6.7 mm,随着根径的增大,单根极限抗拉力呈指数式增大,抗拉强度呈指数式降低;不同RAR(Root Area Ratio,即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根?土复合体抗剪强度相比素土样提升显著,RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系,其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系,与内摩擦角之间呈高斯函数关系;根?土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性,修正WWM模型次之,WWM预测精度相对较差;而在木本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测方面,根?土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。      

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

充填物的力学响应对裂隙渗流的影响

针对膨胀性充填物对裂隙岩体渗流影响方面研究较少的现状,基于大冶铁矿充填介质的水理性质和蚀变岩体力学参数测试成果,在充填物膨胀压力与蚀变岩体力学参数对比分析的基础上探讨了充填物的力学响应对裂隙渗流的影响。研究表明,充填物的膨胀效应对蚀变岩体力学变形起着重要的控制作用,充填物膨胀产生的拉张效应和剪切效应都导致裂隙渗透性的显著增加,并且充填物的塑化效应和液化效应也明显提高了裂隙的渗透性。     

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

失稳挡墙加固中锚喷力学分析及数值模拟

锚固是岩土工程领域的重要加固技术手段,而喷射混凝土与锚固工程往往是共存的,合理的喷层厚度及锚固参数十分重要。按照弹性力学中的薄板弯曲理论,从喷层与锚杆的相互作用分析出发,认为钢筋网在喷射混凝土断面上呈S形分布是最合理的布置方式。结合工程实例,采用有限差分FLAC数值模拟方法,研究喷射混凝土技术在失稳加筋土挡土墙加固中的力学机制和应用效果,认为喷射混凝土可使锚杆间的墙体表面自由变形得到有效抑制、墙趾浅表面塑性区减少、锚杆预应力损失降低、加固效果得以改善;并对喷层厚度对加固效果的影响进行了详细分析,认为合理的混凝土厚度应考虑其具备柔中有刚、刚柔并举的力学属性,所得结论对锚喷加固工程中喷层厚度的确定具有指导意义。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论:致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5.7倍和1.7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟

包含裂隙的非饱和膨胀土中的渗流具有随时间变化的特性。采用常规试验测定非饱和膨胀土膨胀时程曲线,定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征, 建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型;用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响。结果表明, 坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大;裂隙对边坡入渗的影响随裂隙深度的增大而增大,且存在一最大的影响程度;裂隙的存在加快了膨胀土的入渗速率;考虑裂隙随入渗而愈合时, 入渗达到平衡的时间有所延长。     

基岩冲刷的数值模拟

为了探索采用数值模拟的方法来研究基岩冲刷的可行性,对二维散粒体河床的冲刷进行了试验研究,并采用二维k-ε模型,在贴体非正交曲线坐标系中用控制体积法对散粒体河床的冲刷进行了数值模拟,计算的冲坑深度与试验结果符合很好,结果令人满意.选用相同的控制基岩冲刷的参数,对不同下游水垫深度、不同入射流速时基岩冲刷深度的正确模拟说明,在对基岩特性有了充分的了解后,用数值方法来模拟基岩的冲刷过程及估算冲刷深度是合理、可行的.     

过渡段对连续弯道水流影响的数值模拟

通过分析不同长度的过渡段对连接连续弯曲河道后弯水流的影响,探讨航道整治工程设计中过渡段长度的确定依据。在模型试验资料验证的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法处理自由水面的水气两相流数学模型,对连续弯道水流进行模拟计算。对比不同过渡段长度条件下后弯水流特征的变化情况,发现增加过渡段长度可以减弱前弯对后弯水流的影响。当相对过渡段长度大于一定数值后,后弯的特征水流情况保持稳定,增加过渡段长度所引起的减弱前弯水流对后弯水流影响的效应基本丧失。以后弯水流条件趋于稳定为特征定义临界过渡段长度,可作为航道尺度设计中过渡段长度取值的计算基础。     

非饱和土入渗的数值模拟

入渗引起土中孔隙水压力的变化,是影响非饱和土性状的最重要的原因之一。因此,正确地分析和模拟非饱和土入渗过程具有重要意义。通过对一维和二维降雨入渗问题的研究,展示了湿润锋面、地下水位面及孔隙水压力分布随时间的变化,使得对入渗问题的认识更加直观和清楚。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，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，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

含软弱夹层土样变形破坏过程细观数值模拟及分析

基于颗粒流理论,引入接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒流模型。通过颗粒流程序(PFC)数值模型试验,对含软弱夹层试样的强度和破坏发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压以及不同夹层参数条件下的应力-应变关系曲线,通过位移矢量场分析了破坏发展趋势。模拟结果表明,一般围压条件下试样沿软弱夹层滑动破坏,但在某特定围压下,软弱夹层的存在并不起主要控制作用;试样应力-应变关系曲线峰值随软弱夹层颗粒的摩擦系数和法向接触刚度的减小而下降,当颗粒法向接触刚度趋近0时,试样加载初始阶段呈现塑性流变特征;夹层颗粒的切向接触刚度只有低于某一特定值时才会使试样应力-应变关系曲线峰值降低。通过分析,得到了土体颗粒细观参数和宏观力学行为的内在联系,并对土体软弱夹层力学性质和渐进破坏过程有了更进一步的认识。     

砂砾岩水力压裂裂缝扩展规律的数值模拟分析

砂砾岩储层一般具有岩性和渗透性变化大、孔隙度低、连通性差、孔隙结构复杂和非均匀性严重等特点,因此,在水力压裂过程中,裂缝扩展形态难以控制,大规模改造难度大。针对国内某典型砂砾岩油藏特征,采用数值计算方法对砂砾岩压裂裂缝的扩展规律进行了研究,包括地应力场、砾石含量和粒径等对裂缝扩展形态及压裂压力的影响。研究表明,砾石的存在增加了压裂裂纹扩展的复杂性,裂纹主要有止裂、偏转、穿透和吸附4种表现模式,但主应力差严格控制着裂纹的走向,随着主应力差的增大,裂纹由总体绕砾扩展转变为总体穿砾扩展,失稳压力随着主应力差的增大而明显减小;砾石含量的多少体现了砂砾岩试样宏观的非均匀性,含量越高均匀性越差,随着砾石含量的提高,裂纹与砾石的相互作用占据主导地位,失稳压力随砾石含量的增加而增大;当砾石体积含量一定时,砾石粒径对压裂压力的影响主要取决于砾石排列的随机性,失稳压力随砾石粒径的增大而略有增大。