非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序的开发与应用尝试

从已有的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序,并通过2个算例进行了应用尝试。     

三维油藏中应力与渗流的摄动-有限元分析

提出了一个较为实际的石油油藏的三维力学模型。以已有的三维介质中应力与渗流耦合问题的变分原理为基础,用摄动法证明了光油藏厚度变化为小量时,三维问题或简化为平面应变问题,并可采用不同厚度的平面应变单元进行有限元分析,所得到的解即是该三维问题的零阶摄动解。给出了摄动法的推导和有限元格式,计算了一个水驱法进行油田二次开发的算例并给出了计算结果。     

考虑孔隙水压力作用的岩土体弹塑性模型及其有限元实现

岩土工程中孔隙水的作用一直是工程安全稳定分析中不容忽视的问题。基于Viesca提出的考虑饱和孔隙水压力作用的孔隙弹塑性模型,推导其在满足D-P准则的理想弹塑性情况下的具体形式。对于不排水条件,饱水状态下材料强度参数被等效化,使得屈服面的形状发生改变,同时根据最近点投影法确定其在弹塑性计算中的本构积分策略。不排水孔隙水压力对岩土体的塑性响应的影响得以表达,而对结构的稳定性的影响通过基于过应力概念的不平衡力反映出来。基于该模型开发非线性有限元程序PoreTfine,选取非均质边坡降雨入渗下的稳定问题作为算例验证其实用性,边坡随降雨作用的非平衡演化过程得到研究。Skempton系数的增大对连续降雨条件下边坡有弱化作用,对其稳定性不利。     

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。     

软土初始应力各向异性弹塑性模型

自然土体处于初始应力状态,其强度和应力-应变关系都呈现出各向异性,而以往广泛使用的剑桥模型是建立在重塑土试验结果的基础上的,因此,计算实际问题时有一定缺陷.在总结了一些在修正剑桥模型基础上进行扩展而得到的各向异性模型,尤其是S-CLAY1模型.然后,假定了初始屈服面的倾角为K0线,这样使S-CLAY1的计算更加简单.此外,还编制了相关程序,进行了比较计算.结果表明,该模型简单合理,参数正确,可以在实际工程中应用.     

考虑饱和-非饱和渗流、温度和应力耦合的三维有限元程序研制

在探索多场耦合理论基础上,研制出了一个考虑饱和-非饱和渗流场和温度场对应力场作用的三维弹塑性有限元程序,该程序采用了以下简化假设：不考虑力学过程和渗流过程对温度场产生的影响,而只考虑变温对力学过程产生的影响;不考虑力学过程和温度场对渗流场产生的影响,而只考虑渗流场对力学过程产生的影响。经与弹性力学解析解对比,验证了该程序计算结果是合理的。     

CO2注入岩体的热-气-应力耦合二维弹塑性有限元分析

目前国内关于CO2地质埋存课题的研究已经起步,其中与岩石力学有关的工作急需加强。为此,考虑到向含气地层中注入CO2时岩石、气体和温度的相互作用,将CO2视为理想气体,使用Drucker-Prager屈服准则和‘无拉应力’判据,建立了一个热-气-应力耦合模型并研制了相应的二维有限元程序。假定了一个由下部注入层和上覆冠石层组成的CO2埋存地质系统,以此为数值模拟的对象,分析了CO2在不同的注入速率和注入时间条件下岩体的中的位移、应力、受拉与塑性破坏区的变化和分布情况,结果显示,为保证CO2注入岩体的稳定,应优择最佳的注入速率和注入时间。     

上海地区粘土弹塑性应力—应变模型的研究

本文根据上海粘土的真三轴试验结果，对上海粘土弹性应力－应变模型的建立进行探讨，并研究了确定有关参数的方法。试验表明，模型中的参数均可能过常规三轴试验加以确定，这使上海地区采用弹塑性模型研究粘土成为可能。本文最后还利用该模型所得的计算值与试验结果了对比，取是了较理想的效果。     

总磷运移二维模型的有限元法

水库中总磷的浓度是水库富营养化的重要指标，根据水库水环境条件，给出污染质总磷运移的二维数学模型；采用Galerlom有限元法进行求解，并给制了等值线图，得到水库中总磷的时空变化规律，为防治水库污染、选择最佳处理方案提供科学理论依据。     

半地堑盆地演化机制的粘弹塑数值模拟

利用新近完成的粘弹塑构造模拟软件包对盆地的动力学演化进行了一系列模拟。文中主要概述不同厚度的上地壳中由高角度平面正断层界定的半地堑盆地的演化模拟。模拟时上地壳被考虑成具有Byerlee型强度包络 ,并且位于无粘性基底之上 ,盆地中由密度比地壳密度小的沉积物充填。计算了以一定增量逐渐拉伸上地壳层时各个阶段的非静岩应力 (Nonlitho staticstress)、塑性破裂 (Plasticfailure)分布及挠曲剖面 (Flexureprofile)。塑性变形使得有效弹性厚度减小。到切穿破裂出现以前 ,断层断距一直增加 ,之后 ,断距基本停止增加。所以 ,地壳强度使沉降量和隆升量均有极限。上地壳层厚度和沉积物密度是控制盆地宽度和极限深度的两个重要因素 ,上地壳层厚度增加或者沉积物密度加大都使盆地宽度和深度增大。模拟结果可以解释一些大陆裂谷盆地的宽度和沉积深度。     

A FINITE ELEMENT DOUBLE POROSITY MODEL FOR HETEROGENEOUS DEFORMABLE POROUS MEDIA

The mathematical base of the double porosity concept, consisting of the continuity and equilibrium equation respectively, is briefly reviewed. A quasi-steady-state transfer function, the so-called leakage term, is used. Important aspects of the developed code, based on the double porosity theory, are presented together with two hypothetical example problems. The resulting trend of the settlements are compared to those from previous work and was found to be significantly different. However, the implications are that the present study exhibits a more realistic prediction for the settlement.     

深基坑工程变形控制与有限元数值模拟分析

首先对深基坑工程变形控制进行了详细的论述，提出了基坑有效系数、有效区、失效区、临界线的新概念，提出了深基坑变形控制参考标准和经济有效的变形控制对策。简介了自制的深基坑工程变形控制优化设计及其有限元数值模拟系统（SDCDEFEM）。利用该系统及应用实例分析，得出了简明估算深基坑最大变形及其位置的统计关系式。     

电导率分块连续变化的二维MT有限元模拟（Ⅰ）

用有限元法进行电导率分块连续变化的二维大地电磁的模拟。本文第一部分给了有限元法系数矩阵的计算公式，可用于编制有限元法的计算程度。模型上的计算结果和计算精度的分析交城本文的第二部分介绍。     

电导率分块连续变化的二维MT有限元模拟（Ⅱ）

用有限单元法进行电导率分块连续变化的二维大地电磁场的模拟，本文的第一部分给出有限单元法系数矩阵的计算公式，这部分给出四个模型的计算结果。在有限元中，分别采用双线性播值和双二次插值，计算结果与解析法或有限差分法进行对比，吻合得很好。算例表明，本方法具有计算精度高、网络剖分简单、模拟功能强的优点。     

陕甘宁盆地中部靖安地区现今应力场三维有限元数值模拟及其在油田开发中的意义

本文在建立合理地质模型、力学模型和数学模型的基础上,用三维有限元数值模拟方法对靖安地区三叠系延长统现今应力场的分布进行了计算。它们对该区开发井网布置、压裂改造方案和水平井的设计以及注水管理有重要指导作用。      

应力场数值模拟与油藏有利区预测-以松辽盆地乾安地区归字井青三段为例

构造应力场在油气运聚成藏中具有重要的作用。明水组沉积末期是松辽盆地乾安地区高台子油层的一个主要成藏期, 期间烃源岩的生、排烃高峰与大规模油气运聚和圈闭的形成在时间上具良好的匹配关系。利用ANSYS有限元模拟软件, 对归字井地区明水组沉积末期构造应力场进行了初步模拟; 同时利用地应力驱动油气运移理论, 对运移势场进行了数值模拟。模拟结果表明, 最大主应力受岩性控制明显, 而最小主应力主要受埋深控制。已有的试油试气资料表明, 具油气显示的井, 大部分都位于地应力区和地势区。依据地应力和运移势场的分布, 并结合地质构造特征, 对油藏有利区进行了预测, 为油田的勘探开发提供了科学依据。