不连续面对饱和-非饱和介质热-水-应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和-非饱和介质中的热-水-应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

一种模拟热-水-应力耦合作用的节理单元及数值分析

对于具有相同厚度的4 节点等参数节理单元,从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手,利用Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,使之可用于分析岩体饱和不连续面中热-水-应力耦合弹性问题,并将这一单元模型加入到相应的二维有限元程序中。通过假定的有、无节理的稳态渗流算例和核废料地下处置算例,表现了由于不连续面的存在,使得岩体中不连续面两侧的位移、水头不再连续,而温度场虽然连续但与无不连续面时相比仍有一定差别。     

模拟热–水–应力耦合作用的三维节理单元及其数值分析

对于具有相同厚度的空间8节点等参数节理单元,考虑温度和孔隙水压力的影响,将其的应力–位移关系加以拓展,建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程,使之可用于分析饱和–非饱和岩体中存在不连续面时的热–水–应力耦合问题,并结合实体单元,研制出相应的三维有限元程序。针对一个假定的核废物地质处置模型,通过有、无节理的热–水–应力耦合过程数值分析,显示与无节理的情况相比,由于节理的存在使得近场岩体中的温度、应力及水流速度的分布与数值都发生了明显的变化,特别是节理附近的岩体中有某种水流"冷却"作用和一定程度的应力集中现象,其它部位岩体的应力也有所增加。     

饱和–非饱和介质水–应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性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–非饱和孔隙介质中水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式,对一个假定的非饱和土体中水–应力耦合问题进行了数值计算,考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布,定性验证了该程序的正确性。     

遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型及有限元分析

 建立一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。     

考虑水–应力耦合作用的地下洞室的锚杆支护效果

从建立应力平衡方程、水连续性方程入手，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，开发出了一个用于分析饱和岩土介质中水–应力耦合弹性问题的二维有限元程序。通过处于地下水位以下的洞室施工时锚杆支护效果问题的模拟计算表明：在有地下水赋存的条件下，锚杆的作用仍主要是约束围岩位移，但比无水时有所减弱，其对岩体中渗流的抑制效果不大，而渗透系数的取值方式将明显地影响孔隙水压力的分布。     

水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为3个阶段，其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右，水–岩作用10期后，节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型，建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期...     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

考虑双重孔隙–裂隙岩体中强度异向性的THM耦合有限元分析

计入裂隙连通率,进一步完善了确定双重孔隙–裂隙介质岩体的黏聚力及内摩擦角的方法,将其引入独立开发的热–水–应力耦合二维弹塑性有限元程序中。假定一个位于饱和岩体中的实验室尺度的核废物地质处置库模型,以此为计算背景,拟定裂隙组正交和斜交的二种情况,进行热–水–应力耦合有限元分析。结果表明:与裂隙组正交时的各场量呈轴对称分布相比,两组裂隙斜交时,孔隙水压力及其流速呈轴对称分布,但岩体中的应力场、裂隙水压力及其流速、塑性区均呈非轴对称分布;裂隙组正交时岩体中的塑性区大面积出现,而裂隙组斜交时岩体中几乎无塑性区产生;岩体中裂隙组的产状强烈地影响到应力场、塑性区和裂隙水的状态。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

尤卡山坑道规模试验热–气–应力耦合过程 的离散元模拟

 简述二维离散元程序UDEC4.0中求解热–水–应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理。针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验,使用UDEC程序进行热–气–应力耦合过程的数值模拟,分析坑道周边的位移、主应力、节理开度、气压力及气体流速的变化;并将本计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果进行比较。结果表明,三者温度、应力的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性上较为一致,在定量上加热时间短时二者差别较明显,但在同样的数量级内,加热时间长时本计算和LBNL计算所得的位移值与实测结果的接近程度大体相当。从而可以认为使用离散元方法对核废料地质处置中的热–水/气–应力耦合过程进行模拟是可行的。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

考虑水-应力耦合作用的地下洞室的锚杆支护效果

从建立应力平衡方程、水连续性方程入手,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,开发出了一个用于分析饱和岩土介质中水–应力耦合弹性问题的二维有限元程序。通过处于地下水位以下的洞室施工时锚杆支护效果问题的模拟计算表明:在有地下水赋存的条件下,锚杆的作用仍主要是约束围岩位移,但比无水时有所减弱,其对岩体中渗流的抑制效果不大,而渗透系数的取值方式将明显地影响孔隙水压力的分布。     

裂隙岩体地区导热–对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程，考虑受垂向流影响的温度场，建立地温与深度之间的函数关系，并建立不动点迭代方程，编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本，构造减速膨胀曲线，对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明，同正态分布和均匀分布相比，裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数，如渗透系数，具有避免过多主、客观因素干扰，计算过程清晰，结果明确的特点。     

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。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

统一管道–界面单元法的构建及其在水力压裂模拟中的应用

为了模拟可渗透性孔隙裂隙介质中的水力压裂,提出了一种新的数值计算方法,即统一管道–界面单元法(UP-IEM)。该方法提出了2个"统一"的概念:(1)将二维平面中的裂隙劈裂和流体流动统一为一维管道问题;(2)将岩体基质管道和裂隙管道统一为具有不同导水系数的相同管道,使用同一套数学方程计算流体流动。解决了传统的离散裂隙网络介质模型难以考虑岩体基质渗透性的难点。同时,该方法引入界面单元计算裂隙扩展,与传统有限单元法以及离散单元法相比,既不需要局部裂纹扩展准则,也不需要跟踪算法,具有计算速度快,计算效率高的优点。采用孔隙弹性理论和有效应力概念描述岩体基质的变形,在界面单元中采用黏聚性区域模型描述水力裂隙扩展,采用接触–摩擦模型模拟自然裂隙的闭合和滑移,基于达西流流动理论计算孔隙介质和裂隙中的流体流动。针对流–固强耦合计算过程,建立了半显式求解的计算框架。模拟了经典的Terzaghi固结测试、非对称四点梁弯曲测试和KGD裂隙扩展模型,通过将数值结果与解析解和物理试验结果进行对比,分别验证了UP-IEM模拟流体流动、裂纹扩展以及水力压裂问题的准确性及适用性。此外,建立单一自然裂隙和复杂裂隙网络模型...     

复杂应力状态下岩体强度的各向异性研究

 岩体中存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度起着重要的作用,岩体可能会沿着这些不连续面发生破坏。在分析中间主应力对岩体强度影响的基础上,验证统一强度理论,并在此基础上,建立可以反映中间主应力变化的强度参数,同时采用试验对其进行验证。针对含有不连续面的岩体,分析不连续面上的应力分布,建立复杂应力条件下的岩体各向异性强度准则,并针对该强度的特殊情况作简化,分析适用条件。采用节理岩体的真三轴试验对其验证,结果表明所建立的各向异性强度准则可以恰当的反映岩体的强度。分析中间主应力,结构面倾角和走向对岩体强度的影响。     

基于三单元模型分析P–波在充填结构面处的传播规律

考虑含充填软弱结构面的接触界面与充填材料的共同变形,提出三单元模型描述充填结构面。结合特征线法,推导建立一维P–波在含充填结构面岩体中的传播方程,并与已有理论进行了对比验证,然后展开了入射波频率、接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性对应力波传播规律的参数讨论。最后,基于应力–应变均匀假定,将厚度较薄的充填结构面等效于无厚度位移不连续模型,较厚的充填结构面等效于位移连续的软弱夹层,通过分析等效节理的刚度和等效夹层的弹性模量,反推得到充填结构面的法向变形特性的影响。研究结果表明,采用三单元描述充填结构面是可行的,同时接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性三参数对透射系数均存在一个阈值,当参数值大于该阈值时,其对透射系数的影响较小。透射系数与接触界面刚度和充填材料的波速正相关,而与充填厚度呈负指数函数关系。等效刚度和等效弹模均随着接触界面的刚度增加而增加。随着充填材料的波速增加,等效刚度迅速增加后趋向稳定,稳定值与充填厚度以及接触界面刚度密切相关。