松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与 数值分析研究

以松散承压含水层水下采煤为例,通过研制的新型流固耦合相似材料和突涌水物理模拟试验系统真实再现采区突涌水的灾变演化过程,采用光纤光栅技术、声发射技术和电阻率层析成像技术,全程捕捉隔水层围岩应力场、位移场、渗流场、温度场、电场和声发射信息的变化特征及其异常信号,研究突水前兆多元信息的演化规律及其临突特征。采用可考虑多场耦合效应的数值分析方法,研究突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律,分析突水前兆多物理场信息的响应特征。试验和数值分析结果表明：在隔水层破断突水前,围岩应力变化持续增长后发生回跌,但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃,在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落,在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象,尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析,发现隔水层的渗透压力、视电阻率以及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征,是松散含水层开采突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。研究结果有助于加深对煤矿突水灾变演化过程的认识,为突水前兆信息演化规律及实时监测理论的建立提供科学依据。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

滑坡稳定性的有限元强度折减法数值分析

以某滑坡为例,通过现场调查分析,建立了滑坡稳定性分析的计算模型,应用有限元强度折减法,考虑渗流应力耦合作用,研究了滑坡体在自然条件、暴雨和水库蓄水后水位动态变化等环境条件下的滑坡稳定性。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

地下高压钢筋混凝土岔管渗水开裂三维数值分析计算

根据地下高压钢筋混凝土岔管受内水压力初砌开裂后的渗流场变化特征，提出了高压管道内水外渗的渗流场与应力场耦合的三给有限元数值分析方法。根据地下高压钢筋混凝土岔管衬砌开裂破坏规律，给出了高压管道受内水压开裂的裂缝宽度估计公式和混凝土衬砌结构的配筋计算方法。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗的初砌结构配筋的影响，为地下高压管道的设计提供了一种有效的分析方法。     

裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究

基于对深层地下水资源的开采利用和对岩体工程中易发生的地质灾害预测防范研究的目的，提出了开展裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究设想。为环境工程学科中防灾减灾工作及水资源合理利用提供了一个新的研究方法。     

三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析

泄滩滑坡坡体从水力学特性来看为3层透水性较强的岩层(坡积物、滑坡堆积物和滑坡影响带)和2层透水性较弱的岩层(滑带和基岩)构成的互层状结构。以此为基础,进行了三峡库区蓄水至175m水平时泄滩滑坡的渗流场与应力场耦合分析,得出滑坡体内水头分布、滑带底面承受的浮托力分布以及各应力分量分布。可以看出,泄滩滑坡水力学特性上的这种互层状结构不利于滑坡体的稳定,耦合作用对渗流场的影响不大,但对应力场的影响较大。     

隧道岩体赋存地质特征及开挖过程描述

隧道开挖改变了围岩的原始地质环境（如原始地应力场，渗流场，温度场等），为保持围岩的稳定性及工作环境要求，须采取适当的支护与防渗措施。作者从岩土体的赋存地质特征出发，给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法。进行了隧道开挖卸荷的有限元模拟计算，讨论了开挖方法对围岩扰动带的影响。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型及指导隧道的设计与施工。     

暴雨与河流水位涨落耦合作用基坑稳定性分析

雨季施工时基坑工程受暴雨入渗以及邻近河流水位涨落耦合作用,容易发生渗透破坏事故。基于裘布依(Dupuit)假定建立分层地基地下水耦合渗流方程,以此确定在暴雨入渗以及河流水位涨落耦合作用下基坑周边地下水位。同时基于渗流-应力耦合分析理论与Midas分析软件,以某基坑工程实例为研究对象,建立基坑工程渗流-应力耦合分析模型,对基坑工程渗流破坏现象进行分析研究,由此得出了对其它工程有重要参考价值的结论。     

基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型

 为模拟边坡在库水涨落和降雨作用下的渐进破坏过程,发展基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型。它分为固体计算模型、孔隙渗流应力耦合模型和裂隙渗流应力耦合模型3个部分。固体计算模型能够反映地质体的破坏规律,可以模拟从连续到非连续的破坏过程;孔隙渗流应力耦合模型可以方便地计算出自由水位线(浸润线)的位置;裂隙渗流应力耦合模型可以避免由于不连通裂隙(孤立裂隙)存在所导致的收敛性问题;假设只考虑库水涨落和降雨的最终状态,裂隙渗流产生的水头分布和由库水涨落所引起的水头改变作为孔隙渗流的变边界条件,从而实现孔隙渗流场和裂隙渗流场的耦合。典型算例计算结果表明,基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型对于库区古滑坡的研究是很有效的。     

垃圾渗滤液污染的耦合动力学行为及数值模拟

垃圾渗滤液在填埋场中的运移过程受复杂地质环境（渗流场、应力场和浓度场）作用的影响。基于多孔介质流-固耦合及溶质运移理论，建立了垃圾渗滤液运移过程的多场耦合数学模型，并采用P-R隐式差分方法，给出了耦合模型的数值格式。通过编制的计算程序，对多场耦合作用下填埋场内渗滤液的浓度分布进行了动态模拟。模拟结果表明：随着时间的推移，对流作用对渗滤液迁移的影响更加明显；应力场耦合作用下的浓度变化速率相对降低，主要是由于考虑骨架变形后，孔隙介质渗透率的降低直接导致流体平均流速减慢而造成的。因此，对渗滤液迁移规律的研究必须同时考虑渗流场、应力场和浓度场的耦合作用，以此为准确预测渗滤液的污染情况提供更可靠的理论依据。     

应力与渗流耦合作用下溪洛渡拱坝变形稳定分析

 以溪洛渡工程为例,通过对大坝基础地质条件、岩体内应力–渗流耦合作用机制的详细分析,基于现场监测数据,对大坝复杂基础的渗流耦合作用机制和渗压、水位变化规律进行分析;对比渗流场分析结果和实测结果,确定岩层的渗透参数及边界条件。建立裂隙岩体渗透特性和应力–变形的关系,采用非线性有限元方法,对施工期典型阶段的大坝基础渗流工作状态进行三维数值精细模拟分析,分析结果与现场变形和压应力监测值进行对比,得到施工期大坝复杂基础的渗透真实工作状态,预测大坝运行期的渗流工作性态,从而指导大坝现场渗控体系施工,对保证蓄水过程的施工质量和大坝安全具有重要指导意义。     

瑞典条分法剖析引发的有效应力和渗流力概念问题

瑞典条分法在土力学教学和边坡工程设计中有着广泛的影响。针对其两种有效应力分析表达式,通过剖析土条底面法向有效应力的推求过程及对比分析计算结果发现：在理论上,两种表达式都不适用于一般渗流条件下的边坡稳定分析;实用上,也存在明显离散的计算误差。其原因分别在于：以土体为研究对象时,忽略了土条侧面的水压力;以土骨架为研究对象时,忽略了渗流力的作用。进一步分析微单元体平衡微分方程的结果表明, Taylor 提出的分析渗流对土骨架有效应力影响的两种等效处理方式,即以土体为研究对象,考虑饱和重力与周界上水压力的方式;或以土骨架为研究对象,考虑有效重力与渗流力的方式, 可以在刚体极限平衡分析方法中运用,例如条分法。 但是, 在涉及渗流 - 变形耦合分析的诸如边坡渗流稳定和固结问题的解析和数值方法中,只能以土体为研究对象,而不能以土骨架为研究对象、运用渗流力的概念进行分析。究其原因在于：在 渗流条件下,物理上,有效应力不是应力变量;有效应力和确定渗流力的孔隙水压力分别是决定土骨架的变形和强度以及流场的相互依赖的、非独立的应力状态变量。     

裂隙岩体渗流应力耦合机制研究

隧洞开挖前,岩体中的地下水与围岩应力处于一种相对平衡状态,由于隧洞的开挖,一方面使地下水排泄有了新的通道,加速了水循环,破坏了原有的补给一运移一排泄系统的平衡;另一方面,造成围岩应力重分布,部分结构面由于增压而闭合,部分岩体卸荷松弛或产生剪切滑移,人为破坏了原有的地下水渗流条件,使得隧洞自身成为地下水向外排泄的地下廊道...     

Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature, seepage and stress fields in cold-region tunnels

In this paper, a mathmatical mechanical model and the governing differential equations of the coupled problem of temperature, seepage and stress fields with phase change are first derived from the theory of heat transfer, the theory of seepage and frozen soil mechanics. Then the finite element formulae of this problem are obtained from Galerkin's method. Finally, an illustrative example of the temperature field and stress field in a cold regions tunnel, considering the seepage and frost-heaving force influence, is provided. The example shows that the influence of frost-heaving force on the stresses of the tunnel lining is very large and, thus, the effect of this factor on the tunnel lining should be taken into account in the cold regions engineering design.     

裂隙岩体渗流场与卸荷应力场耦合作用

通过对目前裂隙岩体渗流与应力耦合现状研究资料的查阅分析 ,采用现场数据采集 ,整理分析与模拟试验三者相结合的研究方法 ,建立裂隙岩体渗流场 -卸荷应力场的耦合作用模型 ,并通过现场数据与模拟试验对模型进行验证     

考虑渗流应力耦合关系的陷落柱突水机理研究

陷落柱突水受多种因素影响,其中煤矿工作面推进引起的区域岩体应力变化是主要原因。本文以陷落柱内承压水头上升高度和陷落柱内渗流量变化为评价突水危险性的简化判据,根据渗流应力耦合经验公式,借助FLAC^3D软件自带的FISH语言开发了流固耦合程序。应用该耦合程序并结合团柏矿某工作面的工程实际,对承压水上边缘充水导水型陷落柱的突水全过程进行了数值模拟。通过模拟结果和力学机理分析,得出了该边缘充水导水型陷落柱的渗流特征及工作面突水危险区域,从而为煤矿安全生产提供了指导。     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。     

库水位变化下滑坡渗流机制与稳定性分析

 基于非饱和土力学理论建立渗流场–应力场的流–固耦合计算模型,考虑土–水特征曲线与渗透特征,将孔隙水压力分布和非饱和土强度理论应用到极限平衡法中,并与有限元法结合,对库水作用下的三峡库区巫峡段龚家坊堆积层滑坡稳态–瞬态进行渗流、稳定性、应力应变的饱和–非饱和数值计算。采用Geo-studio软件中的Seep模拟库水对滑坡体作用及地下水位变化;并与Slope结合,进行极限平衡与流固耦合的稳定性计算;采用Sigma有限元分析方法进行非饱和非稳定渗流与应力–应变分析。揭示了孔隙水压力差的消散变化以及浸润线滞后库水的时间效应,水分在坡体内运移与土体变形相互影响的空间效应,表明水在坡体中起到了顶托、楔裂、促动的作用,坡顶张拉裂隙积水对稳定不利,前缘稳定,滑坡中后缘起着推移作用,是控制整体稳定的关键,体现了渗流–应力耦合作用下库区抗滑桩作用体系的防治效果。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。