非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。     

渗流场与应力场耦合分析在地质科学中的应用

本文论述了渗流场与应力场耦合分析的基本原理及其在石油勘探，成矿预测及斜坡稳定性评价中应用的理论基础和技术路线。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

渗流场和应力场对复杂岩溶隧道支护的影响分析

本文以某高速公路复杂岩溶隧道为依托,采用数值模拟和现场测试的方法分析了在应力场、渗流场和应力场耦合场作用下,Ⅴ级围岩洞周变形、支护结构及塑性区的受力特征,探讨了不同注浆圈施作后隧道渗水压力和支护变形分布规律。数值计算结果表明：渗流场和应力场耦合场作用下的洞周围岩和初期支护位移均大于只考虑应力场的情形。为使隧道支护结构安全,模拟了不同注浆圈厚度下的注浆效果,得出应力场作用下的注浆圈厚度至少达到8 m;而双场耦合时,注浆圈厚度要至少达到10m以上。最后通过变形监测数据验证了所得注浆圈厚度的计算是合理的,为西南片区类似复杂岩溶隧道工程提供了借鉴。     

渗流场与应力场相互关系研究中应注意的两个问题

渗流场与应力场耦合模型应反映双场相互作用的真实过程;双场耦合模型必须以概念模型为基础。     

岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型研究

本文在分析岩体的地质特征、参流特征的基础上,提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数型数学模型,给出了耦合集中参数型数学模型辨识的递推公式,讨论了该模型的应用前景。     

渗流场与应力场耦合分析在地质科学中的应用

论述了渗流场与应力场耦合分析的基本原理及其在石油勘探、成矿预测及斜坡稳定性评价中应用的理论基础和技术路线。     

岩体水力学基础（六）——岩体渗流场与应力场耦合的双重介质模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成,本文在分析了岩体的结构特点之后,阐述了狭义双重介质,广义双重介质的概念,提出了岩体渗流场与应力场耦合的狭义双重介质模型和广义双重介质模型。     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应：（1）储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2）煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设：煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明：单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。     

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。     

软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析

对盾构出洞口涌水涌砂灾害问题作了分析。利用Midas-GTS软件,建立了盾构出洞施工的有限元模型。考虑盾构出洞施工的渗流-应力耦合效应,研究了盾构工作井外加固土体前方高水位工况下,地下水绕加固土体下卧土层的渗流规律以及加固土体前方原状土的沉降规律。研究结果表明,在假定井外加固土体完全隔水情况下,洞门涌水涌砂灾害的发生与否受到土体加固长度、井外地下水等因素影响;土体加固长度的增加对工程安全有利,但成本较高;地下水位的降低能有效减小盾构出洞洞门涌水灾害的发生,需综合考虑工程安全性、经济性和工期等来确定合理的施工参数。     

基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求,针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题,基于流固耦合分析理论,利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究,通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究,实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明:相较无渗流模型,流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同,但整体量值增大明显,水的作用不可忽略;水的存在使冻结壁受力趋于"均匀",应力集中现象缓解,但高剪应力区范围扩大,使其剪切破坏风险加大,且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势,对结构稳定不利;冻结壁在流固耦合作用下变形加剧,且随厚度减小而愈发显著,模型厚度达到2.0m以上时变形基本稳定;流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域,3.0 m和2.5 m模型整体完好,2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区,1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿,1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏;综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

水下圆形隧道注浆加固区渗流特征理论研究

对于水下隧道开挖后隧道围岩中渗流作用对隧道结构水荷载的影响问题,应用复变函数理论方法,建立了水下隧道加固区渗流模型,研究得出考虑加固区渗透率和加固区厚度参数影响的渗流解析解。研究表明,当围岩加固区渗透能力变小时加固区围岩中的水力梯度将增大,加固区半径增加,加固区内的水力梯度也有所增加,但加固区渗透率大小对水力梯度的影响较加固区范围大小变化的影响大很多。在围岩中渗透力的影响起主要作用;加固区在常规厚度范围内变化对围岩中水力梯度的影响相对很小,厚度只需满足相关要求即可。数值解证明了理论解的合理性。     

运营期水下盾构隧道管片接缝张开度变化规律

水下盾构隧道管片间接缝张开度对隧道防水及运营期结构安全有重要影响。以南京扬子江隧道结构健康监测系统中两个典型监测断面的接缝监测数据为基础,通过多元线性回归分析方法分析在两种不同地层组合下接缝张开度随水位、温度变化的规律;并对接缝张开度随水位变化的规律进行了有限元数值模拟,数值模拟结果与回归分析结果吻合较好。上述分析结果表明,纵缝张开度和横缝张开度随水位、温度的变化均呈现较好的线性关系,具体变化趋势如下：当盾构隧道穿越上砂下岩的上透下不透地层时,环内上半部分管片纵缝张开度随水位的增大而增大,受温度影响则相对较小;当盾构隧道穿越砂性全透水地层时,环内管片纵缝张开度随水位的增大而减小,受温度影响也相对较小;环间横缝张开度在上述两种地层下随水位、温度的变化趋势相同,均随水位增大而增大,随温度的升高而减小。     

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     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析

随着城市地铁的持续建设,近接既有地下建筑进行施工的工程大量涌现。由于受地质条件和施工工艺的限制,盾构推进难免会对邻近建(构)筑物产生扰动,由此引发一系列的环境病害。针对过黄浦江行人观光隧道从上部穿越刚刚建成的上海地铁2号线越江区间隧道,建立了三维有限元计算模型,研究了由于盾构推进而引起的地层扰动变形的规律性,并对已建隧道产生的施工影响进行了分析,并给出了相关的结论。