不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。     

单轴压缩下多裂隙类岩石材料强度试验与数值分析

采用伺服控制单轴加载系统对预制多裂隙水泥砂浆试件进行加载试验,探索裂隙角度和分布密度对多裂隙类岩石材料断裂破坏强度的影响规律。对试验数据整理分析,应用FLAC3D建立应变软化模型,进行数值模拟。试验数据和数值分析结果表明,裂隙分布密度相同时,裂隙倾角对试件断裂破坏强度的影响比较显著,25°附近取得最小值;裂隙角度相同时,裂隙分布密度对试件断裂破坏强度的影响与裂隙倾角有关,角度较小时,影响比较显著,随着角度的增大,影响越来越弱。试验所得结论,对于预测地下工程中多裂隙情况下围岩强度变化规律提供了依据。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏及渗透现象研究

通过热力耦合作用下层状盐岩流变实验研究可知,层状盐岩内部各层之间由于蠕变率不同变形不协调,导致层状盐岩体内多重剪切破坏,层间流变破坏后呈网格状,孔隙、裂隙增多,渗透率比未扰动时提高5个数量级,储库长期运行腔体围岩流变破坏后天然气必然发生泄漏。同时,层状盐岩流变破坏后气体渗透实验表明,其渗透率与有效体积应力关系为 。基于裂隙介质,建立了层状盐岩储库长期运行腔体围岩流变破坏后渗透特性数学模型,并对金坛天然气储库长期运行腔体围岩渗透特性进行了数值模拟,结果表明:由流变破坏造成的盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,夹层内部气体渗透滞后于层间裂隙气压,渗透速度随时间的延长逐渐减小,最后达到稳定状态。所以,高盐分泥岩夹层对天然气储库长期运行腔体围岩的渗透特性具有很大影响,确定合理的运行压力是保证天然气储库不发生渗漏的必要条件,为我国盐岩溶腔储库长期运行腔体围岩天然气渗漏现象研究提供一些参考依据。     

二维时间空间域弹性波全波形反演-理论模型数值试验

本文使用炮并行和区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,节约单个CPU内核的内存使用量,快速进行正演数值模拟)两种并行算法.该方法的每一步迭代都能确保近似海森矩阵的正定,因此,算法稳健.将时间正向传播的炮波场和反向逆时间传播的残差波场(伴随波场)进行零延迟互相关计算,得到误差泛函的梯度,然后对梯度乘以一个预条件算子,从而加快反演的收敛速度.通过抛物线搜索方法而估计步长,使用L-BFGS算法(限定内存的BFGS算法)求解模型的更新量,进行二维时间空间域弹性波全波形反演.将该反演方法应用到Marmousi2弹性波理论模型,分别反演Marmousi2理论模型的纵波速度、横波速度以及密度等三个参数.我们分别使用截止频率为2 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz四个阶段的低通巴特沃斯滤波器,采用多尺度的策略,从理论模型数据的低频分量开始反演,将低频分量的反演结果作为高频分量反演时的初始模型,然后依次反演数据的高频分量.理论模型数值试验反演所得到的结果证实:二维时间空间域弹性波全波形反演计算灵活,适用于各种观测系统,能够方便地对地震数据进行加时窗;二维时间空间域弹性波全波形反演所得纵波速度模型的分辨率最高,横波速度模型的分辨率次之,密度模型的分辨率稍微差些.     

干湿循环条件下红砂岩软弱夹层微结构与剪切强度的关联性

极旱极涝频繁交替的极端气候事件会加剧岩土风化,降低强度,影响岩土工程结构稳定。采用直剪试验和扫描电镜技术,研究了对顺层红砂岩边坡稳定性起控制作用的软弱夹层在常温状态、干湿循环条件下（60℃风干）的力学特性及微观结构变化规律,通过相关分析、逐步回归方法得到了影响强度的微结构显著变量,构建了反映二者关联性的回归方程。研究表明：红砂岩软弱夹层剪切强度及黏聚力在1～5次循环过程中急剧降低,5次后变化趋缓,循环次数对内摩擦角变化影响微小;干湿循环次数增加,平均面积、平均直径、平均周长、定向概率熵等4个微结构参数减小,并与黏聚力呈现正相关关系;颗粒个数、平均形状系数、形态分布分形维数3个微观参数与黏聚力呈现负相关关系;分析认为,干湿循环过程中宏观力学特性蜕化及微观结构参数变化之间显著相关,干湿循环造成的岩土颗粒胀缩、碎裂、结构破坏是导致红砂岩软弱夹层剪切强度蜕化的主要原因。