裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型

基于复合单元法建立了裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,网格剖分不受限制,可依据裂隙的真实信息自动将其离散在单元内。其次,采用交叉迭代算法,对裂隙岩体的渗流场和温度场进行耦合分析,耦合算法不仅考虑了温度对流体运动黏度的影响,而且可计算裂隙中流体与相邻岩块间渗流-传热过程以及两者间的渗流量和热量交换。通过与已有近似解析解相比较,验证了复合单元耦合算法的可靠性。算例分析表明,渗流-传热耦合作用对裂隙岩体的渗流场和温度场均有一定的影响。分析了不同岩块热传导系数和裂隙开度对热能提取效率的影响,结果显示,岩块热传导系数越大、裂隙开度越大,低温流体从高温岩块中吸取的热能会较多,出口处流体温度下降得较快。     

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。     

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一,隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响,因此推导了岩体不均匀冻胀系数k_θ的计算公式,并获得岩体不均匀冻胀系数k_θ的相关规律。(1)岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角θ的增大而增大。(2)温度梯度增加,岩体的不均匀冻胀系数k_θ增加,岩体的不均匀冻胀性增强。(3)裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角q,当裂隙与温度梯度的夹角q较小时,岩体不均匀冻胀系数k_θ随裂隙率的增加而减小;当裂隙与温度梯度的夹角θ较大时,岩体不均匀冻胀系数k_θ随裂隙率的增加而增大。(4)裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关,裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式,计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围,从而,在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力,对寒区隧道工程的设计具有重要作用,对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动...     

三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法

岩体中的裂隙分布具有随机性,且渗流主要通过裂隙面进行。运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面,基于矢体的概念,实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。通过算例分析,验证了所提方法的准确性和有效性。     

深部高承压水地层裂隙岩体冻结温度场实测研究

通过深部高承压水地层冻结法凿井现场实测,获得矿井裂隙岩体各个层位测温孔的温度和盐水去回路干管温度变化规律.结果表明:测温孔实测温度在冻结初期呈线性下降规律;当温度继续降低到岩石的结冰温度以后,降温速率逐步增加;当冻结帷幕达到设计温度时,实测温度变化趋于平缓;外圈管外侧测温孔降温速率最慢,两圈管之间位置的测温孔降温速率最快;位于不同位置不同层位的测温孔降温速率不一致,其中位于92m深度的卵石层(C1^#测温孔)降温速率为0.54℃·d^-1,位于209m深度的砂质泥岩(C3^#测温孔)降温速率为0.9℃·d^-1;根据实测温度可以预测地层形成冻结帷幕的交圈时间、厚度、平均温度等冻结设计参数.深部裂隙岩体冻结温度实测资料对指导冻结帷幕设计与施工具有重要实践意义.     

裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究

裂隙岩体因含有发育程度不同的裂隙、节理和断层等不连续面,致其渗透性具有各向异性、不连续性等特点,因此传统的有限元法对分布密集的裂隙岩体渗流场求解有一定的难度。本文提出了采用无单元Glaerkin法求解有自由面裂隙渗流问题,并推导了无单元法求解渗流场的基本方程和积分格式,给出了应用罚函数法处理渗流边界条件和自由面处理方法。采用IDL语言编制了二维无单元法计算软件LIDAREFM。文中以北京怀柔桥梓镇某裂隙岩体边坡渗流场计算为例,研究了复杂裂隙共同作用下渗流场特性和自由面分布,讨论了不同开度、不同连通程度的裂隙对渗流场的影响。研究结果表明:无单元法可以较好地解决有密集裂隙的岩体渗流场的求解问题,实现了裂隙处结点任意加密以及积分网格的独立布置,避免了对有自由面和裂隙穿越的子域的重新处理,简化了渗流问题的求解过程。     

随机裂隙岩体渗流-应力耦合分析的块体单元法

视岩石裂隙为一种“充填介质”,进而将有填充物和无填充物的裂隙统一处理,推导了裂隙面的刚度系数、导水系数和法向应力之间的关系式。在此基础上,根据块体单元法的应力、渗流分析的基本原理,即认为岩块为刚体、变形集中发生于裂隙面,假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,并考虑了法向应力和裂隙面刚度、导水系数的关系式,运用两场交叉迭代法,提出了三维随机裂隙岩体渗流与应力耦合分析的块体单元模型。编写了相应的Fortran程序,该程序将块体元的应力、渗流两个分析模块整合在一起,计算效率较高。该模型的最大优势是能考虑大规模复杂的节理、裂隙,且前、后处理简单。通过沙沱重力坝的分析,验证了方法的准确性和有效性     

样本单元法及块状裂隙岩体力学参数的确定

在分析块状岩体的结构特征及影响其力学性能因素的基础上,根据大量野外调查及室内试验资料,对块状岩体进行分类,并建立相应的样本单元.采用数值分析方法模拟各类样本单元的大型三轴试验,实现了根据岩块参数获取块状裂隙岩体力学参数的目的.     

岩体裂隙网络的不均匀系数

本文应用多标度分形理论,提出了描述岩体裂隙网络中裂隙分布不均匀性的新指标--岩体裂隙网络的不均匀系数。研究表明,该指标可以充分反映岩体裂隙网络的不均匀程度     

裂隙岩体渗透性研究

提出了裂隙岩体中单一非等宽裂隙的渗透模型,探讨了对具有多组节理的裂隙岩体进行渗透性分析的方法,并以锦屏一级水电站工程为例,基于坝址区岩体节理的实际测量资料,建立渗流计算模型,对岩体的渗透特性进行评价。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

本文从流体扩散能量迭加原理,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式,综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压裂裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与与损伤场耦合模型。     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

1. 浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018;2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240; 3. 浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州 310016     

岩质边坡动态开挖模拟的复合单元模型

复合单元法是一种具有高效建模能力的数值模拟方法,适合用于岩质边坡的动态设计,能够实现模型中结构面、加固措施和开挖面三部分的快速调整。目前复合单元法已经完成对结构面和加固措施的模拟,但还未实现对开挖面及开挖过程的模拟。针对该问题,借鉴复合单元法中结构面模拟的方法,同时结合新的开挖算法,建立了复合单元开挖模型,并使用FORTRAN语言编制了相应的程序。基于边坡开挖算例,与有限元结果的对比,验证新方法的可行性。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

裂隙岩体块体化程度评价方法的若干问题修正

块体化程度是评价岩体完整性的一种新指标,能从三维角度表征岩体破碎程度,但目前该方法仍存在未充分考虑岩体切割程度及块体规模、未限定基础应用条件、块体化程度等级划分不合理等缺陷。针对上述缺陷,深入分析了其产生原因,并借鉴岩体切割程度、三维块度模数、体积RQD等计算原理,限定了块体体积百分比相关概念,提出了考虑岩体完整性块度尺寸效应的块体体积综合百分比计算方法,确立了块体化程度等级及分级指标取值依据,建立了修正的块体化程度评价方法。通过对比块体化程度评价修正方法、岩土工程规范对岩体完整性的划分结果,分析了修正方法的合理性。分别以广西铜坑矿锌多金属矿体、乌东德水电工程的块体研究数据为基础,开展了修正块体化程度评价方法的实例验证,结果表明：利用修正块体化程度评价方法计算的铜坑矿+255 m中段4#试验区岩体块体体积百分比为11.18%,属轻度块状化岩体;乌东德水电站PD49-1平硐、PD4支硐块体体积百分比分别为12.847%、10.168%,均属于轻度块状化岩体,岩体完整性程度为较完整级别。与现有块体化程度评价方法比较,修正方法计算的块体体积百分比能够更准确地从三维角度表征真实岩体的完整性。研究成果对精确刻画岩体三维完整性具有重要意义。     

Numerical estimation of REV and permeability tensor for fractured rock masses by composite element method

The Monte Carlo method is used to generate parent stochastic discrete fracture network, from which a series of fractured rock samples of different sizes and orientations are extracted. The fracture network combined with a regular grid forms composite element mesh of the fractured rock sample, in which each composite element is composed of sub‐elements incised by fracture segments. The composite element method (CEM) for the seepage is implemented to obtain the nodal hydraulic potential as well as the seepage flow rates through the fractured rock samples. The application of CEM enables a large quantity of stochastic tests for the fractured rock samples because the pre‐process is facilitated greatly. By changing the sizes and orientations of the samples, the analysis of the seepage characteristics is realized to evaluate the variation of the permeability components, the existence of the permeability tensor and the representative element volume. The feasibility and effectiveness are illustrated in a numerical example. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.