岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。     

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。     

基坑开挖中渗流-应力耦合模拟

根据基坑工程施工实际情况,基于地下水渗流的基本规律以及岩土体受力的本构模型,建立了在应力场和渗流场耦合作用下基坑受力的力学模型,通过有限元方法模拟了基坑开挖过程中周围应力场及渗流场的变化规律。计算结果表明：在设置挡土墙并及时排水情况下,随着开挖的进行,基坑周围的土体变形增大,挡土墙前的土体发生沉降,墙体最终发生变形,基坑底部土体向上隆起,在基坑角落处水头梯度较大,发生应力集中,容易导致工程事故,必须谨慎处理。另外,基坑在降水时内外水头差过大将会引起墙体承受过大压力,基坑周围沉降会更大,这样不利于墙体和周围建筑安全。     

渗流-水平井流耦合数学模型和数值模拟

在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流-光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。     

越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析

隧道开挖和由开挖引起的地下水渗流引起围岩应力重新分布,对隧道围岩的稳定性有重要的影响。本文把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来,根据渗流场边界建立了合理的三维有限元分析模型,对规划完成的某越江隧道开挖过程的水-力耦合效应进行了研究,建立了稳定流条件下渗流-应力耦合的基本方程,分析了孔隙水压力随隧道开挖过程的变化规律和水力耦合对围岩位移、应力及支护结构应力的影响程度。数值计算结果表明,渗透系数大的岩层渗流速度和位移受渗流的影响较大,渗流使隧道围岩的位移和应力及支护结构的应力都有较大的增加,水下隧道的设计和施工应该考虑渗流效应。     

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。     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

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。     

温度-渗流-应力耦合作用分类

根据耦合作用实现方式的不同,将温度-渗流-应力耦合作用分为“力学”耦合和“参数”耦合两大类,“力学”耦合通过场之间的某种力学作用或过程实现,而“参数”耦合则通过场的控制参数的变化而体现出来。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型及工程应用

岩体渗流-应力耦合作用的研究是国内岩体渗流领域研究的热点问题,该问题在层状边坡工程中尤为常见。考虑到层状边坡岩体普遍存在的各向异性特征及渗流-应力耦合问题,基于等效连续介质模型和Louis经验公式,建立了层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型,应用COMSOL多物理场耦合软件对模型进行了数值计算。结果表明：该模型能够反映层状边坡岩体的各向异性变形及地下水渗流的非均匀性和各向异性特征。依托抚顺西露天矿南帮工程实例,通过采用不同的模型进行对比分析,研究了该边坡E800剖面地下水渗流情况。结果表明：采用该模型计算的潜水面与实际情况吻合较好,显示了该模型在层状边坡工程中良好的应用前景。     

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下（脱湿和吸湿过程）强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。     

淋溪河水电站大野坪滑坡体渗流应力耦合分析

软弱夹层的渗流、应力耦合作用是影响滑坡体稳定性的主要因素。为正确评价含软弱夹层的大野坪滑坡体的整体稳定性,基于Biot固结微分方程,采用虚位移原理,按照Goodman单元的形成格式,引入Desai单元控制嵌入的思想,构造了二维4节点耦合薄层单元,给出了能够模拟滑坡体蠕变特性的弹黏塑性本构模型,编制了相应的有限元程序,并用孔压实测数据检验了程序的正确性。同时,对大野坪滑坡体处于正常蓄水位和水位骤降两种工况的渗流场、应力场进行了非线性有限元耦合分析。结果表明：正常蓄水位,滑坡体处于稳定状态;而水位骤降工况,使滑坡体中前部孔隙水压力、位移、剪应力水平等均有大幅度地提高,塑性区沿着软弱夹层向上也有较大发展,致使滑坡体有可能沿着软弱夹层在中前部发生局部折线滑动,对滑坡体的稳定性极为不利。最后,采用刚体极限平衡法,对耦合分析的结果进行校核,两者结论一致。该研究成果为全面评价淋溪河水电站建设的可行性提供了重要的理论依据,建立耦合单元研究软弱夹层耦合特性的方法,为其他含软弱夹层的滑坡体的稳定性评价提供了有益的借鉴。     

考虑力学参数关联的非均质煤概率模型

何考虑煤的力学参数之间的关联性是非均质煤储层模拟的关键。通过试验获得了阜新五龙矿某工作面102组煤样的弹性模量、单轴抗压和抗拉强度,定义了弹性模量无量纲因数、单轴抗压强度无量纲因数和抗拉强度无量纲因数及拉弹因数比、压弹因数比5个物理参数,并对试验数据进行统计分析,结果表明,（1）煤的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度均具有统计分布特征,可以用Weibull分布描述;（2）弹性模量因数、单轴抗压强度因数和抗拉强度因数三者之间存在关联性;（3）拉弹因数比和压弹因数比都符合Weibull分布。以弹性模量为基准,建立了考虑参数关联的非均质煤随机概率模型,开发了相应的虚拟煤体生成程序。研究了2个数值算例,算例1分别按考虑力学参数关联和不考虑力学参数关联两种方法生成煤的力学参数,并与试验数据进行对比,结果表明,前者获得的结果与试验数据更接近;算例2对比了2种方法赋值的平面应变煤样单轴压缩下的宏观应力-应变曲线和煤样破坏过程,结果表明,考虑力学参数关联比不考虑力学参数关联得到的模拟结果更合理,利用文中模型能更好地模拟煤的非均质力学特性。     

煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据\     

"渗流-管流耦合模型"的物理模拟及其数值模拟

井孔 -含水系统问题是当今水文地质学最重要的研究课题之一。长期以来 ,水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用“热传导”中的“线汇”理论 ,需要人工预先给定线汇 线源的流量或水头的分配 ,其正确性或适用性至今没有得到理论证明。陈崇希 (1993 )提出的“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在理论上已解决多个水文地质问题 ,也用于几个实例 ,本文再用物理模拟检验其可靠性。论文针对具有典型意义的河床下水平井或傍河垂直井地下水流问题做了砂槽物理模拟 ,并用基于“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”的数值方法仿真模拟了此条件下地下水流的规律。成果表明 ,数值模拟观测孔水头动态相当好地再现了物理模拟结果。论文指出了“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在井孔 -含水系统问题上的广泛应用前景。     

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

考虑土体非均质传热的河岸带水热耦合模型

为弥补当前河岸带水热交换模拟对土体非均质传热考虑不足的缺陷,在饱和-非饱和渗流及多孔介质传热理论基础上,引入土体有效导热系数模型,构建考虑土体非均质传热的河岸带水热耦合模型。结合COMSOL软件的特点,给出河岸带水热耦合模型的实现方法及求解流程,并通过河岸带温度和水位原型观测资料验证和对比分析不同有效导热系数模型下河岸带水热耦合模型的模拟效果。结果表明：与传统不考虑土体非均质传热方法相比,该模型能够较好地反映河岸带水热交换过程。此外,基于Johansen有效导热系数模型的河岸带水热耦合模型模拟效果表现最佳,模拟结果与前人试验结果一致。研究成果可为河岸带水热交换及污染物迁移过程的深入研究提供技术支撑。