裂隙岩体流固耦合双重介质模型的有限元计算

基于孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质流固耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出的相应有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例,将计算结果与相关文献作了比较,得出相关结论。     

岩体渗流场与温度场耦合的连续介质模型

孔隙型岩体、密集裂隙型岩体以及孔隙—密集裂隙型岩体的渗流问题均可视为连续介质或等效连续介质渗流问题。本文从理论上分析了这种类型岩体渗流场与温度场相互影响、相互作用的机理，提出了岩体渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型，并讨论了该数学模型的有限元数值求解方法。     

随机连续模型分析裂隙岩体耦合行为

利用能够反映岩体水力性质空间变异特性的随机连续模型对隧洞开挖过程中的裂隙岩体渗流-应力耦合过程进行了数值分析。随机渗透系数场通过顺序指示模拟方法生成。顺序指示法是一种非参数地质统计学技术,他允许输入任何形式的渗透系数概率分布而不需要对分布做任何假设。由随机模拟生成的渗透系数场被投影到有限元计算网格中进行耦合分析。力学响应使用基于连续介质的节理本构模型来反映岩体中软弱面的影响。结果表明,随机连续模型能够较好地预测裂隙岩体的稳定入渗率,水力性质的空间变异性对裂隙介质的耦合过程起着重要作用。在不排水条件下,隧洞每次开挖开始时,由于岩石应力重分布,孔隙水受到扰动,短时间内不能流动平衡,因此孔压会迅速上升,这对于围岩稳定是不利的。     

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

岩体水力学基础（六）——岩体渗流场与应力场耦合的双重介质模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成,本文在分析了岩体的结构特点之后,阐述了狭义双重介质,广义双重介质的概念,提出了岩体渗流场与应力场耦合的狭义双重介质模型和广义双重介质模型。     

岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究

本文通过实验资料分析, 提出了裂隙岩体应力与渗流之间的分形几何关系式。以研究区岩体系统结构为基础, 提出了岩体系统应力场与渗流场耦合的广义双重介质模型, 并将该模型应用于某水利水电工程的渗流与控制中, 对坝区岩体进行了应力场和渗流场的耦合分析, 取得了比较满意的结果。     

裂隙岩体渗流场分析及其三维有限元程序设计

针对水工建筑物裂隙岩基渗流场计算,采用双重介质解法编制了三维有限元裂隙渗流计算程序,用水量交换项耦合主干裂隙网络及裂隙岩块,自由面位置的确定使用自由面虚点法迭代逼近,得到了合理的计算结果。计算使用ANSYS建立渗流模型并剖分网格,相应的前处理子程序降低了裂隙渗流计算的复杂性,提高了裂隙渗流理论计算方法的可用性。     

含裂隙饱和多孔介质流-固耦合的扩展有限元分析

基于应力平衡方程、渗流连续性方程以及改进的Biot有效应力原理,建立了含裂隙可变形饱和多孔介质流-固全耦合问题的控制方程。流体在介质和裂隙中的流动均满足达西定律,得到的非线性全耦合方程不仅反映多孔介质内部物理量的耦合效应,还考虑介质与裂隙之间的耦合作用。扩展有限元法在处理含裂隙问题时具有独特的优势,采用普通有限元和扩展有限元法构建了数值计算体系。在进行空间离散时,介质内部的位移和孔隙压力均采用普通的有限元进行离散;裂隙处的位移模式引入扩展有限元中的两类附加位移函数,以反映裂隙面的位移强不连续性和裂隙端部的应力奇异性;引入孔隙压力加强函数,以体现裂隙法向孔隙压力的弱不连续特征。使用向后差分格式进行时间离散。算例验证了该模型和算法的正确性和有效性,分析了裂隙的存在对流体流动的延迟作用、裂隙中张开位移及孔隙压力等物理量的分布情况,讨论了渗透率、外部流量的改变对计算结果的影响。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

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。     

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。     

三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟

管涌的发生、发展过程是土骨架相在渗流作用下侵蚀为可动细颗粒相,并随水相在孔隙通道中运移流失的过程。在该过程中,渗流与侵蚀相互耦合,相互促进,水相、土相、可动细颗粒相互作用,因此,管涌过程是一个多场、多相耦合的高度非线性的动态过程。现有的管涌试验结果表明,只有当水力梯度大于起始水力梯度时,细颗粒相才会随水相从土体中运移流失,土体才会发生管涌侵蚀,且管涌稳定后土体的孔隙率（稳定孔隙率）和水力梯度之间存在对应关系,根据该结果,提出管涌稳定孔隙率的概念,修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立多孔介质中三相耦合的修正的渗流侵蚀管涌控制方程。最后,针对特定应力状态下的土体建立稳定孔隙率和水力梯度之间的对应关系。基于Galerkin有限元法编制有限元程序,在轴对称情况下对该土体的管涌过程进行数值模拟。结果表明,修正后的管涌控制方程能更全面地描述管涌发生、发展直至稳定状态的特性。     

Three-dimensional hydromechanical modeling of internal erosion in dike-on-foundation

Currently, numerical studies at the real scale of an entire engineering structure considering internal erosion are still rare. This paper presents a three-dimensional (3D) numerical simulation of the effects of internal erosion within a linear dike located on a foundation. A two-dimensional (2D) finite element code has been extended to 3D in order to analyze the impact of internal erosion under more realistic hydromechanical conditions. The saturated soil has been considered as a mixture of four interacting constituents: soil skeleton, erodible fines, fluidized fine particles, and fluid. The detachment and transport of the fine particles have been modeled with a mass exchange model between the solid and the fluid phases. An elastoplastic constitutive model for sand-silt mixtures has been developed to monitor the effect of the evolution of both the porosity and the fines content induced by internal erosion upon the behavior of the soil skeleton. An unsaturated flow condition has been implemented into this coupled hydromechanical model to describe more accurately the seepage within the dike and the foundation. A stabilized finite element method was used to eliminate spurious numerical oscillations in solving the convection-dominated transport of fluidized particles. This numerical tool was then applied to a specific dike-on-foundation case subjected to internal erosion induced by a leakage located at the bottom of the foundation. Different failure modes were observed and analyzed for different boundary conditions, including the significant influence of the leakage cavity size and the elevation of the water level at the upstream and downstream sides of the dike.     

A constitutive and numerical model for mechanical compaction in sedimentary basins

The aim of the paper is to provide new elements concerning the constitutive behavior of sedimentary rocks and the numerical aspects for basin simulators. A comprehensive model for mechanical compaction of sedimentary basins is developed within finite poroplasticity setting. Particular concern is paid to the effects of large porosity changes on the poromechanical properties of the sediment material. A simplified micromechanics-based approach is used to account for the stiffness increase and hardening induced by large plastic strains.A key challenge for numerical assessment of sedimentary basin evolution is to integrate multiple coupled processes in the context of open material systems. To this end, a numerical approach inspired from the ‘deactivation/reactivation’ method used for the simulation of excavation process and lining placement in tunnel engineering, has been developed. Periods of sediments accretion are simulated by progressive activation of the gravity forces within a fictitious closed system. Fundamental components of the constitutive model developed before (hydromechanical coupling, dependence of poroelastic properties on large plasticity, impact of irreversible porosity changes on the hardening rule, evolution of permeability with porosity) are included into our finite element code.Illustrative examples of basin simulation are performed in the one-dimensional case. Various aspects of the constitutive model are investigated. Their influence on the corresponding basin response is analyzed in terms of compaction law, porosity and fluid pressure profiles.     

裂隙岩体渗流耦合传热分析

以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。