采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于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), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

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。     

岩爆破坏过程能量释放的数值模拟

岩爆是地下岩石开挖中的一种工程灾害现象,是岩体结构发生破坏时,由于内部储存的弹性能释放并转换为动能而造成动力形式的破坏。岩爆破坏过程中的能量释放与岩体在应力峰值前后的应力-应变特性紧密相关。另外,施工中开挖速度引起的加载速率的变化也会对岩爆的产生有明显影响。以岩体全过程应力-应变曲线试验为基础分析岩爆破坏过程。分析中采用的模型考虑了岩石峰值后应力-应变特性及加载速率的影响。运用数值方法对岩石洞室的开挖过程进行了模拟,在模拟中对岩体破坏的发生及弹性能释放过程进行了分析。数值分析结果显示,岩体洞室开挖过程中岩石破坏由岩体表面向岩体内部发展,岩石的弹性能释放率也随着破坏的发展而不断增加。分析结果还显示,岩体破坏时的弹性能释放速率会随着开挖速率的提高而明显增加。     

刚性桩加固软土路基失稳破坏数值模拟

为控制路堤的整体稳定性,刚性桩现已常用于软土路基的加固。本文引入了桩体的断开机制,采用有限元软件ABAQUS对刚性桩加固软土路基的失稳破坏模式进行分析,相较于传统的数值模拟方法,体现了路堤荷载作用下,刚性桩的渐次失稳破坏过程。在此基础上,考虑桩体可能优先发生的弯曲破坏,提出将临界比例n作为判断桩体优先发生剪切破坏或弯曲破坏的临界值,并将其作为本文桩体断开机制的终止判别条件,合理地规避了数值模拟软件定量计算存在的较大误差。最后,将本文数值模拟与传统的数值模拟、等效砂桩法的数值模拟进行对比,结果反应出本文数值模拟方法的合理性与可靠性,工程上可通过增大前排桩的抗弯强度或限制桩体的水平位移,提高路堤的整体稳定性。     

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。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

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。     

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。     

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。     

页岩气封存顶板变形破裂的机理与数值模拟

由于页岩气赋存机理的特殊性,页岩气成藏受保存条件及顶板类型的影响。封存顶板岩层对页岩气封盖影响极大。本文对页岩气藏封存顶板的破裂机理进行理论分析,并建立模型对顶板进行数值模拟。顶板岩层破裂与注水压力、岩石抗拉强度、地应力有关。封存顶板的破裂机理为压裂初始阶段,储层膨胀变形,封存顶板受压产生剪切裂纹,压裂液进入顶板,当注水压力小于最小主应力时,岩层发生剪切破裂,注水压力达到最小主应力和地应力之和时,岩石发生剪切破裂和张性破裂,裂缝增加并扩展,形成网状体系。数值模拟结果显示,压裂注水会在储层产生水力破坏区域,注水压力升高,水力破坏区域扩大并相互叠加影响,使得水力破坏集中于中间注水口的上部,当顶板岩层内部出现水力破坏区域时,岩石会发生破裂产生裂缝。在储层压裂的整个过程中,开始1h内,裂缝在储层内发展,顶板保持稳定,空隙水压力和变形很小,顶板岩层底部有少量裂纹。压裂2h,顶板底部裂缝增多,岩石空隙水压力上升,且顶板发生变形,中间变形最为明显。压裂3h,裂缝从顶板底部延伸到上部,岩层内部裂缝快速发育,空隙水压力持续升高,变形加大。数值模拟的结果与破裂机理的分析结果相吻合。     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈S形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

碳酸盐岩烃源岩排烃过程的模拟

在评述排烃模拟研究现状的基础上，综合排烃研究的最新成果及若干碳酸盐岩烃源区的实际地质情况，认为碳酸盐岩油气运移的主要机理为压力驱动下沿微裂缝的独立烃相排出。含烃饱和度和破裂压力是控制烃类运移的二个主要因素，排烃遵循“压力增长—岩石微破裂—烃类排出—微裂缝弥合”这一往复过程；最后，将该模式应用于鄂尔多斯盆地的排烃研究中，定量、动态模拟出下古生界下马家沟组碳酸盐岩烃源岩的排油史和排气史     

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC~(2D)耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。     

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。     

岩石碎屑流运移堆积过程数值模拟

岩石高速远程崩滑是一种特殊的、危害性很大的地质灾害,崩滑后期形成的高速岩石碎屑流具有很高的运移能力,破坏力极强。以岩石碎屑流为研究对象,重点模拟岩石碎屑流形成后,碎屑流的运移堆积过程和最大运移堆积距离。利用二维颗粒离散元数值模拟方法,建立碎屑流二维运动堆积模型,分析了岩石碎屑流初始高度、体积、加速斜面坡度、堆积底面摩擦系数以及堆积底面地表起伏程度对于岩石碎屑流最大运移堆积距离的影响。实验结果显示:岩石碎屑流运移堆积过程体现出了碎屑流物质的离散性和流动性; 碎屑流最大堆积距离随高度、体积、斜面坡度增大而增大; 随堆积底面摩擦系数、堆积底面地表起伏程度增大而减小。