含水层压密引起其特征参数变化的实验

水文地质参数在含水层压密过程中不断变化,这是诸多地面沉降模型实际应用中的难点之一。就含水层压密对水文地质参数的影响开展了初步的实验,结果表明,压密前后含水层的渗透系数和给水度发生了较大的变化。其中：渗透系数随模拟含水层介质压密过程的变化几乎呈线性的减小趋势,线性拟合决定系数为0.959 2~0.997 1;给水度随着含水层的压实而表现出下降的趋势较为复杂,随介质类型的不同而有差异。渗透系数和给水度的下降速度在不同介质中也有一定的差异。在本研究的实验模型尺度下,给水度和渗透系数呈现一定的线性正相关关系,一次线性相关函数斜率为0.001 3~0.005 1,截距为0.011 6~0.038 1,基本相近且在相同数量级。     

深部含水层储热系统的数值模拟研究

深部含水层储热系统, 是一种以深部含水层介质为载体的“地热+”多能互补储/供能系统。该系统可将各种形式的能量储存于地下并按需求取出加以利用, 能够弥补能源供需的时空分布的不平衡, 是综合利用多种可再生能源, 实现节能减排的有效途径。深部含水层储热是一种水热型地热资源开发利用的新方式。传统的水热型地热资源开采, 受限于地热尾水回灌导致的热突破, 热田寿命有限。而利用深部含水层储能, 不但可以增强热储能力, 而且能够延长热田寿命。本研究通过数值模拟研究表明, 与传统的水热型地热系统相比, 通过采取深部含水层储热技术, 在相同开采流量下, 可以提升单井供热能力20%。其储热效率可以达到60%~90%, 能够保证更高的地热能提取率; 同时, 与传统水热型地热井寿命受限于热突破时间的情况不同, 深部含水层储热系统可以延长地热井寿命, 实现可持续开采。通过参数敏感性分析的方法进一步评估了不同参数对深部含水层储热性能的影响。通过参数研究发现, 储层渗透率和储热温度等是影响储热能力和效率的关键参数。本研究为后续开展深部含水层储热系统工程的设计与优化提供科学参考。     

基于改进Bingham模型的软岩参数非定常三维非线性黏弹塑性蠕变本构研究

传统线性元件组合模型难以描述岩石非线性加速蠕变阶段特性,给工程应用带来了巨大困难。提出一种新的应变触发非线性黏壶元件,并将其与Bingham模型串联,建立了可以描述岩石等速和加速蠕变特性的一维本构模型,进而推导出相应的三维蠕变本构模型,再将三轴压缩过程中岩石弹性模量的衰减方程引入该三维蠕变本构方程,得到一个能反映岩石蠕变全过程特性的三维非线性黏弹塑蠕变本构模型,根据泥岩蠕变试验数据对该模型参数进行了辨识。模型理论计算值与泥岩蠕变试验数据的对比表明改进的Bingham模型不仅可以充分反映软岩的等速蠕变特性,还可以很好地描述软岩的衰减和加速蠕变规律,且模型元件少,组合形式简单,为软岩非线性蠕变本构模型研究提供了新的借鉴。     

多孔黏弹介质平面波理论及波场数值模拟

本文将黏弹固体骨架与各向异性多孔弹性模型相结合,并将地层黏弹性的特性考虑其中,更好地刻画了快P波和横波在地震频带的衰减现象。将多孔黏弹模型模拟结果同传统弹性模型模拟结果对比显示,多孔黏弹模型在模拟真实储层方面更具优势。     

基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解

基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当 时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当 时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。     

各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明：(1) 对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2) 对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。     

粘弹塑本构模型及用于冻土数值计算的柔度矩阵

随着寒区经济发展及冻结法施工技术在工程中的推广应用,对冻土蠕变的深入研究显得尤为重要.对冻土单轴流变试验结果分析,用非线性牛顿体替代线性牛顿体,从而对西原模型进行了改进,得到了冻土三向应力状态下的本构方程;并利用D-P屈服准则推导出应用与数值计算的柔度矩阵.通过有限元程序的二次开发,将本构模型添加到大型非线性程序ADINA中.用三轴蠕变试验检验了粘弹塑本构模型,获得相应的试验拟合曲线.结果表明:三轴蠕变试验与理论计算结果吻合良好,说明粘弹塑本构模型可以描述冻土在高应力下反映的非衰减性蠕变变形特征.     

预压作用下软土微观结构试验及弹黏塑性模型研究

为了揭示软土固结蠕变机制,计算软基“工后沉降”,开展了室内模拟真空、堆载以及真空-堆载联合预压加固软土的固结蠕变三轴试验及三轴试验前、后的微观结构试验。建立了能考虑微观结构改变的弹黏塑性(EVP)软土蠕变模型。研究结果表明：原状软土样在真空预压、堆载预压、联合预压3种预压荷载作用下,固结过程和蠕变过程具有耦合效应;土体微观结构参数的改变与宏观工程性质的改变具有相辅相成的关系;EVP模型弱化了具体应力路径的变化,其反映弹性的参数和反映黏塑性的参数可由微观结构参数确定;改进的EVP模型既能计算土体的弹黏塑性变形,也考虑了土体微观结构的变化,能更全面地反映土变形的实质。     

考虑Hansbo渗流的饱和黏土一维弹黏塑性固结分析

为进一步深入探讨饱和黏土的固结机制,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土变形的弹黏塑性,以及Hansbo渗流方程描述固结过程中的非Darcy渗流,修正了饱和黏土一维固结方程,并利用有限差分法进行了求解。通过与文献中一维流变固结试验结果和理论计算结果的对比,验证了所提计算方法和UH模型的适用性。然后探讨了Hansbo渗流参数及UH模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:土体的黏滞效应是引起流变固结初期地基不排水面附近出现孔压升高现象的主要原因,而渗流的非Darcy特性增强了这一效应,同时土体的这两个特性还延缓了固结中后期饱和黏土地基中孔压的整体消散和地基的沉降。另外,随着回弹指数和超固结参数的增大,或渗透指数的减小,上述流变固结特性更加明显。但是Hansbo渗流参数和渗透指数对地基最终沉降量均无影响。     

基于一致性理论的Drucker-Prager材料弹黏塑本构模型

系统地论述了一致性理论的主要内容,推导了相关的黏塑性切线模量,并在前人工作的基础上研究了类Hoffman材料的推广条件及其一般性的推广方法;将线性Drucker-Prager模型(简称D-P)推广到一致性的黏塑性模型;给出了推广后模型的向后欧拉算法的有限元离散列式;最后将数值算例和试验成果进行对比,验证了一致性的线性D-P模型的有效性.     

结构性软黏土时效特性的一维弹黏塑性模拟

为了研究土体结构破坏对软黏土一维变形的时效特性的影响,在Bjerrum的等时间线体系基础上,提出了等黏塑性应变率线等黏塑性应变率线概念,建立了非结构性软黏土的一维弹黏塑性模型;为了描述土体结构渐进破坏特征,定义了结构性参数--结构应变,在非结构性模型的基础上推导了结构性软黏土一维弹黏塑性模型;讨论了通过试验法直接确定模型参数的方法,并利用新建模型对温州天然软黏土的一维常规压缩试验、天然Ariake 黏土的分级快速固结试验、结构性Berthierville黏土的一维等应变率压缩试验及长期蠕变试验进行模拟。模拟与试验结果的对比表明,该模型能较好地描述结构性软黏土一维压缩变形的时效特征。     

应变局部化弹黏塑性分析的内嵌局部软化带模型

针对岩土介质结构在破坏过程中局部化变形的问题,结合位移不连续的思想,提出内嵌局部软化带模型来捕捉结构中的局部化带。通过虚功原理建立了含局部化带影响的弹黏塑性的有限元计算模式,其中分叉理论作为局部化判断条件。模型将局部化带的形成视为一个黏塑性屈服流动过程,从而能够连续地描述局部化变形前后的力学性质。特点是计算量小、物理意义明确,可以方便地整合到传统有限元分析程序中。算例表明,计算模型是合理和有效的。     

弹黏塑性模型及其在预压处理软基沉降计算中的应用

以准确计算预压荷载作用下软土路基的工后沉降为目的,分析了不同预压法加固软土地基时土体的应力变化。提出了用弱化应力路径变化过程的弹黏塑性模型表示软黏土的应力-应变关系。结合经典比奥固结理论,推导了预压荷载作用下土体沉降计算的有限单元法。通过具体算例,验证了所提方法。结果表明：（1）不同预压方法的加固机制和应力路径均不相同。堆载预压法加固软基是一不等向的正压固结过程,真空预压法则是在负压作用下的等向固结过程;（2）弹黏塑性模型是不受瞬时施加应力的大小及具体应力路径变化过程影响的软土流变模型,运用于预压荷载作用下的软基时具有不考虑应力路径和不划分主次固结的优越性;（3）在比奥固结理论中,用弹黏塑性模型反映软土的物理方程时,可计算软基考虑了弹黏塑变形性质的固结沉降和工后沉降;（4）弹黏塑性模型的软土体黏性参数? /V和塑性参数? /V对竖向位移都有比较明显的影响。     

黑龙江省金厂金矿石英闪长玢岩固结温压条件及其深部预测

黑龙江东宁县金厂金矿位于兴蒙造山带松嫩地块之东端,是吉黑岩浆成矿域的重要组成部分。其围岩蚀变和流体包裹体研究均显示具典型斑岩Au-Cu矿体特征,与燕山晚期花岗斑岩、石英闪长玢岩密切相关。通过矿物温压计对矿区中部18号矿体下部出露的石英闪长玢岩固结温压条件进行分析表明,岩体固结温度约735℃～700℃,压力约0.63MPa～1.3MPa,侵位深度大致约2km～4km,与流体包裹体获得的成矿深度(2.1km～3.2km)接近。研究结果显示目前出露的矿体属于斑岩矿床成矿体系的中部,而深部斑岩体仍未大规模出露。因此,该矿区深部仍有很大的找矿潜力。     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

分数阶时间导数计算方法在含黏滞流体黏弹双相VTI介质波场模拟中的应用

相对于整数阶导数,分数阶微分算子可以更简洁地描述具有历史依赖性和空间全域相关性的复杂力学和物理过程。但是对分数阶波动方程进行数值模拟,计算量和存储量均较大,尤其对长时间或大计算域的模拟更是如此。文中给出了3种计算方法：全局记忆法、短时记忆法、自适应记忆法,并将这3种方法应用于含黏滞流体黏弹双相VTI （横向各向同性）介质分数阶波传播方程正演。通过对比3种方法的模拟精度、计算时间及占用内存发现：虽然短时记忆法可以通过设置短时记忆长度来调整计算时间与所占内存,但是短时记忆长度越短,精度越差;而自适应记忆法在保证精度的前提下,是短时记忆法与全局记忆法在计算时间与占用内存两方面的折衷。最后对各方法的利弊进行总结,为后续正演模拟及新的分数阶数值算法开发提供方法上的参考。在正演过程中,不仅要使所建模型更贴近实际地下介质,还需对选取的数值算法在计算时间、计算存储量和精度之间进行利弊权衡,以得到一个比较合理的数值算法。     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

深部咸含水层CO2注入的流体迁移模拟研究 ——以松辽盆地三肇凹陷为例

CO2地质封存是减少温室气体向大气排放的有效措施之一,而深部咸含水层CO2地质封存是目前可行的最有潜力的封存技术。先前研究表明,松辽盆地是一个潜在的封存场地。基于对松辽盆地地质资料的初步分析,选取三肇凹陷的姚家组1段和青山口组2、3段地层作为CO2的注入层,建立一个典型二维模型,研究CO2注入后的迁移规律。结果表明,CO2注入后会向上和侧向迁移,后期可能出现的对流作用能促进CO2的溶解。残留气体饱和度、注入层水平和垂直渗透率的比值对模拟结果影响最大。此外,储层中的薄页岩夹层有利于CO2的溶解,因此,在保证注入性和封存量的情况下,储层中低渗透性夹层是允许的。     

盐穴地下储库地表沉降的黏弹模型及应用

盐穴地下油气储库在长期运行过程中的地表沉降预测是储库安全评价的重要内容,目前尚无成熟的基于力学理论的解析模型。将盐穴储库地表沉降问题近似为半无限空间内球型空洞受力收缩导致的边界位移问题,利用弹性无限域内球型空洞受力收缩的球对称位移解,运用叠加原理,推导得到半无限空间球型空洞在一定内压作用下引起的地表沉降的弹性积分形式解析解。然后运用对应原理,将体积变形视为弹性,畸变视为Maxwell黏弹性,对地表沉降弹性解析解进行拉普拉斯变换,得到时空域上的地表沉降的黏弹性积分形式解析解。通过与数值模拟结果的比对,验证了文中弹性模型的准确性。最后将沉降预测黏弹模型运用于某盐穴储库地表沉降的预测分析,并与该储库现场沉降观测数据进行对比,分析表明,新模型能够很好地预测盐穴储库地表沉降及发展趋势,该模型为储库地表沉降预测提供了一套新的基于力学理论的方法。