基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

TBM施工隧道岩石耐磨性与力学强度相关性研究

结合TBM施工隧道岩石耐磨性试验和岩石力学强度试验,获得岩石的耐磨值与各力学强度值;采用回归分析方法建立了岩石耐磨性与岩石各力学强度指标之间的相关关系数学模型。研究结果表明,岩石耐磨值与抗压强度、抗拉强度、粘聚力、点荷载强度呈指数函数关系,与内摩擦角呈对数函数关系,两者之间呈正相关关系。     

在ABAQUS中开发实现Duncan-Chang本构模型

美国HKS公司开发的软件产品ABAQUS是目前世界上最强大的非线性有限元分析工具之一。该软件包括了众多材料本构模型,但尚缺少国内外土工数值分析中广泛采用的Duncan-Chang本构模型。这一缺憾影响了ABAQUS软件在土工分析中的应用范围。本文旨在介绍ABAQUS中开发Duncan-Chang材料本构模型实现方法,给出了开发过程的概要,完成了两个典型常规三轴压缩模型问题数值测试。结果表明：在ABAQUS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂土工应力应变的有限元数值分析问题,同时,具有计算速度快、计算精度高和前后处理快捷方便的优点,极大地降低了土工分析程序开发的难度,并减少了维护工作量。     

连拱隧道施工过程的三维空间效应模拟与分析

采用三维有限元方法动态模拟了连拱隧道的施工过程,并分析和探讨了隧道在开挖过程中围岩变形的时空效应以及左右洞施工的相互影响。分析结果表明,对单洞施工,开挖面对围岩变形的影响范围为其前后方2.5 B（B为隧洞净宽）;考虑右洞开挖,对左洞围岩位移的影响范围分别为开挖面前方（未开挖）2 B和开挖面后方（已开挖）1 B。最后分析了拱顶最大沉降量随开挖面推进的变化和产生的位置以及右洞开挖的影响。     

ABAQUS在软基固结过程分析中的应用

基于ABAQUS提供的用户子程序UMAT平台,介绍了如何在ABAQUS中实现Duncan-Chang本构模型的二次开发,探讨了用ABAQUS模拟堆载预压砂井软基固结过程的方法。工程实例分析表明,ABAQUS的计算结果与现场监测数据有很好的一致性。     

通渝隧道进口施工动态开挖过程的数值模拟研究

根据通渝公路隧道进口偏压段台阶分部法施工的特点 ,采用有限元方法对其动态开挖过程进行数值模拟分析 ,以指导隧道信息化施工实践     

分级单屈服面模型在ABAQUS中的实现及验证

基于ABAQUS软件提供的二次开发平台,开发了土体分级单屈服面弹塑性本构模型的子程序,并完成了2个典型的算例。计算结果与Desai计算结果及模型试验实测结果进行了对比,检验了模型的正确性。给出了在ABAQUS中开发弹塑性本构模型的基本步骤和编程要点,可为其他用户进行本构模型的修改提供借鉴与参考。模型的成功开发可为建筑结构的地基基础有限元分析提供一种适用的本构模型     

基于ABAQUS研究持力层厚度对浅地基承载力的影响

浅基础广泛应用于城市建设,因为其结构简单、造价成本低、便于施工、工期短等优点.但影响浅基础承载能力因素众多,传统的理论研究地基承载力有局限性,对影响因素没有全面地考虑.因此运用ABAQUS软件对基础破坏过程进行数值仿真,采用Mohr-Coulomb本构模型,并考虑初始地应力的影响,通过增量加载的有限元模拟方法,对几种主...     

岩石流变损伤模型及春有限元程序编制

基于试验资料，考虑了由裂纹扩展导致的岩石扩容，给出了损伤变量及其演化方程，建立了岩石流变损本构关系和有限元迭代格式。用Ｆｏｒｔｒａｎ语言编制了程序，并进行了算例分析。     

模拟岩石破裂过程的块体单元离散弹簧模型

在变形体离散元的基础上建立块体单元离散弹簧模型,并应用于岩石破裂过程的数值模拟研究。该模型以连续介质力学理论为基础,将块体单元离散为具有明确物理意义的弹簧系统,通过对弹簧系统的能量泛函求变分获得各弹簧的刚度系数,进而可以直接利用弹簧刚度求解单元的变形和应力,提高计算效率。以重力作用下的岩质边坡计算为例,通过与传统的有限元进行对比,验证该模型弹性计算结果的正确性。在该基础上,引入Mohr-Coulomb与最大拉应力的复合破坏准则,判断单元的破坏状态及破裂方向。当单元的内部破坏面确定后,则通过块体切割的方式实现单元破坏,并建立单元边界和单元内部的双重破裂机制,实现块体由连续到非连续的破裂过程,进而显示的模拟裂纹的形成和扩展。最后,以巴西圆盘劈裂、单轴压缩破裂以及三点弯曲梁等典型算例验证该方法,结果表明该方法可以较好地模拟拉伸、压剪等应力状态下裂纹的形成和扩展,从而可模拟岩石介质由连续到非连续的破裂过程。     

一种检测地层压力新方法研究——岩石力学参数法

在分析岩芯力学试验和测井等资料的基础上,提出了利用岩石力学参数进行地层压力检测的新方法。主要包括地区动静态岩石力学转换关系、地层孔隙压力与岩石力学参数关系、压力剖面中岩石力学基础参数求取等。结合测井资料数据,利用该新方法对某高压地区地层压力进行了分析。     

Unsupported advance length in tunnels constructed using New Austrian Tunnelling Method and ground surface settlement

Tunnels constructed using New Austrian Tunnelling Method (NATM) are always based on certain round (unsupported) advance lengths, after which, the temporary lining is placed. The settlement of the ground surface resulting from such construction is of high significance in design and practice. The existing data in this respect, however, is scarce. It is the aim of this paper to propose a semi‐analytical procedure based on three‐dimensional finite element analyses to predict the maximum surface settlement of the ground in NATM tunnels under different combinations of tunnel diameter, overburden depth, round length and soil and lining properties. The comparison of the results with three case histories of real tunnels reveals reasonable accuracy of the present solution. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于断裂力学的岩爆破坏形迹两级预测方法研究

根据常规的岩爆判据,可以确定岩爆的大致分布区域,但难以得到岩爆的破坏形迹（Damaged Shape of Rockburst,DSR）,为此根据岩爆的特点,推导了裂纹失稳扩展的临界长度和临界应力条件,提出了计算DSR的两级预测方法：通过裂纹失稳扩展时的临界应力,对DSR进行一级预测;在一级预测的DSR范围内加入预设裂纹,进行DSR的二级预测。针对断裂数值模拟方法的缺点,建立了基于扩展有限元（XFEM）模拟裂纹动态扩展的思路,依托ABAQUS平台,建立了XFEM二次开发的分析框架,编制了扩展有限元分析程序,进行了相关的实例验证;结合依托工程嘎隆拉隧道,从岩爆的机制、裂纹的数值仿真等方面开展研究,研究成果对高地应力地下工程的岩爆预测具有一定的参考意义。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

隧道围岩中全长注浆岩石锚杆的应力分布分析

在弹性状态下,根据锚固体的受力情况建立了锚固体的摩阻力分布模型。根据此模型,结合隧道围岩位移变化函数推导了全长注浆岩石锚杆在围岩变形下的全长受力分布函数。并结合工程实例,分析了锚杆的应力分布特征,得出了注浆岩石锚杆在围岩变形中受力的基本特征。     

FINITE ELEMENT ANALYSES OF ANISOTROPIC POROELASTICITY: A GENERALIZED MANDEL'S PROBLEM AND AN INCLINED BOREHOLE PROBLEM

The finite element equations for non-linear, anisotropic poroelasticity are cast in the form of measurable engineering constants. Two problems of importance to the rock and petroleum industry are analysed by the FEM. First, the classical Mandel's problem with an extension to transversely isotropic case is investigated. Second, the problem of an inclined borehole is explored. In particular, the effect of material anisotropy on stress concentration near the wall with implication to borehole instability is examined in detail.     

岩石类材料疲劳破坏裂纹扩展分析的数值方法

在进行岩石类材料疲劳断裂破坏的数值分析时,将损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。根据裂纹形成阶段的疲劳曲线（S-N）,描述疲劳发展的损伤演变方程,提出了疲劳裂纹扩展的数值计算方法。建立了扩展阶段中裂纹尺寸与载荷循环次数之间的关系,从而将裂纹萌生与扩展这两个独立过程纳入一个统一的理论体系。该方法与断裂力学结合计算出的疲劳寿命与试验值相吻合。     

不连续岩体-拱坝系统的动力过程数值模拟方法

提出了一种分析三维不连续变形块体系统动力学过程和建坝的数值方法,该方法不但能够模拟位移不连续面在地震载荷作用下的张开和大尺度的摩擦滑移,而且还能给出不连续面上安全系数的分布和随时间的变化.通过有2个块体组成的系统验证了所提出的方法的正确性,同时用它分析了一个具有断层和伸缩缝的拱坝系统模型在地震载荷下的动力反应.     

基于大变形分析的三峡库区某滑坡防治设计研究

三峡库区某岩质滑坡的变形失稳涉及到地质、环境、人类工程活动等多种因素。针对该滑坡的变形破坏规律和诱发机制,拟采用削坡、抗滑桩、排水系统等加固措施,以确保滑坡整体和局部稳定,其中加固方案的长期有效性将是整个治理工程的关键。通过对大变形数值方法以及滑坡治理工程措施特点的分析,认为在研究滑坡治理工程大变形问题时采用非线性大变形数值方法更加合理,加固方案的优化设计采用了三维快速拉格朗日分析（FLAC3D）法,通过对滑坡区位移场以及破坏区的变化规律进行分析,将各项加固措施及其组合工况的治理效果进行对比优选,最后确定出以抗滑桩和削坡为主、排水为辅的最优加固方案。该方案的治理效果已被实践资料所证实,其中的部分方法和结论对三峡库区滑坡地质灾害的防治具有指导意义。     

Implementation of the finite element method in the three‐dimensional discontinuous deformation analysis (3D‐DDA)

A modified three‐dimensional discontinuous deformation analysis (3D‐DDA) method is derived using four‐noded tetrahedral elements to improve the accuracy of current 3D‐DDA algorithm in practical applications. The analysis program for the modified 3D‐DDA method is developed in a C++ environment and its accuracy is illustrated through comparisons with several analytical solutions that are available for selected problems. The predicted solutions for these problems using the modified 3D‐DDA approach all show satisfactory agreement with the corresponding analytical results. Results presented in this paper demonstrate that the modified 3D‐DDA method with discontinuous modeling capabilities offers a useful computational tool to determine stresses and deformations in practical problems involving fissured elastic media with reasonable accuracy. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.