基于渗流分析的膨润土力学状态计算方法

提出一种渗流分析和力学计算相结合的方法来分析膨润土在吸水膨胀过程中的力学状态。首先,通过渗流分析获得土体中的饱和度分布;其次,根据饱和度与膨胀力之间的关系求得膨胀力的分布;最后,将膨胀力作为初始应力带入模型,进行力学计算。对两组膨润土进行注水试验,并测量膨润土土压力的变化。将计算的结果和试验测量数据进行对比,以检验提出的计算方法的精确性。对比结果表明,计算结果与试验测量结果数值吻合较好。得出结论:利用渗流分析与力学计算相结合的计算方法计算力膨润土在吸水过程中的力学状态分布具有可行性。     

非饱和高压实膨润土水化的数值模拟

高压实膨润土是核废料处置的首选缓冲回填材料.使用Code_Bright软件对侧限条件下高压实膨润土的室内注水试验进行了数值模拟.数值模型中的非饱和渗流特性参数即土-水特征曲线参数由室内试验确定.数值模型中使用的膨润土非饱和弹塑性本构模型参数由膨润土的常规非饱和三轴力学模型试验得到.数值模拟结果和实测结果的比较可以反分析出膨润土的固有渗透系数.对数值模型的研究有助于加深对膨润土非饱和渗流特性的认识.数值模型计算得到的吸力分布和实测结果基本吻合.     

膨润土吸湿过程中膨胀力演化及水分分布特征

压实膨润土被广泛地用作密封阻隔材料，其膨胀力变化对于工程设计十分重要。采用蒸汽平衡法控制吸力，研究增湿过程中的膨胀力变化规律，并采用核磁共振（NMR）和X射线衍射（XRD）技术，分析吸湿过程中土体水分分布状态与宏观膨胀行为的关联机制。结果表明，在控制湿度条件下，随着吸力降低，膨胀力先线性增加后稍稍降低；当吸力超过21.8 MPa后，不同干密度试样的含水率基本一致，在低吸力段，含水率随干密度降低而增加；吸湿过程中膨润土矿物晶层间逐层吸水，形成不超过2层水分子厚度吸附水；利用T2分布曲线计算了不同干密度试样的吸附水和毛细水含量，发现膨润土中主要为吸附水，存在少量毛细水（<5%）。分析认为，在吸湿过程中，水分首先吸附到层间区域，膨胀力线性增加，当形成少量毛细水后，颗粒滑移导致膨胀力降低。即，膨胀力的演化在高吸力下受层间水合作用控制，在低吸力下受孔隙结构变化影响。     

非饱和高压实膨润土水化的数值模拟

高压实膨润土是核废料处置的首选缓冲回填材料。使用Code—Bright软件对侧限条件下高压实膨润土的室内注水试验进行了数值模拟。数值模型中的非饱和渗流特性参数即土一水特征曲线参数由室内试验确定。数值模型中使用的膨润土非饱和弹塑性本构模型参数由膨润土的常规非饱和三轴力学模型试验得到。数值模拟结果和实测结果的比较可以反分析出膨润土的固有渗透系数。对数值模型的研究有助于加深对膨润土非饱和渗流特性的认识。数值模型计算得到的吸力分布和实测结果基本吻合。     

初始含水率对膨润土膨胀特性的影响

为了获得初始含水率对膨润土膨胀特性的影响规律,进行了不同初始含水率条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力室内试验。试验结果表明:中等膨胀势膨润土在吸水饱和过程中无荷膨胀率、有荷膨胀率逐渐增大,且经历快速膨胀期、缓慢膨胀期和膨胀稳定期3个阶段。初始含水率越小,快速膨胀期历时越短,膨胀速率越快。随着初始含水率的增加,膨润土的无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力均呈减小趋势,且无荷膨胀率、有荷膨胀率线性递减,而膨胀力与初始含水率呈现良好负指数关系。     

温度对GMZ膨润土的膨胀性能影响研究

在25℃,40℃,60℃和90℃的蒸馏水中对高庙子(GMZ)膨润土进行了膨胀性能试验。由于在试验条件下渗透膨胀占主导地位,GMZ膨润土的膨胀性能随温度的升高而增大,其中最大膨胀率随温度线性增加,而膨胀力随温度呈指数增加。压实GMZ膨润土的膨胀性能可用em=Kp^D-3表示。N2吸附试验结果表明温度对GMZ膨润土的表面分维D基本没有影响。在渗透膨胀条件下,采用扩散双层模型计算发现膨胀系数K与温度T_c之间存在线性关系,并且通过GMZ膨润土和Bikaner膨润土的膨胀试验进行了验证。将K–T_c线性关系与e_m–p分形关系相结合,提出了温度作用下GMZ膨润土膨胀性能的一种简便定量评价方法。     

基于双含水率变量的分数阶微积分膨胀力计算模型

膨胀土的膨胀力对工程具有严重的危害性,如何准确预测膨胀力一直以来都是研究的重难点.文章以成都膨胀土为研究背景,首先根据双电层理论和晶格扩张理论,提出膨胀土膨胀力应由初始含水率和增量含水率共同决定;其次,根据膨胀土亲水矿物的水化效应原理,提出膨胀土膨胀力应是增量含水率变化过程中全部水化效应的体现.然后,一方面建立了膨胀土-初始含水率的指数衰减函数关系;另一方面,引入了分数阶微积分理论,描述在增量含水率变化过程中膨胀土的全部水化效应,以此建立了膨胀力-增量含水率的分数阶微积分函数关系;并分别对各个函数关系展开了性质讨论;最终建立了基于双含水率变量的分数阶微积分膨胀力计算模型.通过成都红、黄两种膨胀土的膨胀力试验分析发现,建立的分数阶微积分膨胀力计算模型的规律与试验规律完全一致,表明计算模型可以准确预测膨胀土在各含水率条件下的膨胀力规律;同时,将膨胀力模型计算结果与试验结果进行对比分析,发现计算结果可以较好地反映试验结果,表明建立的膨胀力计算模型具有科学合理性及一定的适用性.     

高庙子膨润土膨胀力时效性试验研究

针对高庙子膨润土在不同含水率和不同干密度条件下膨胀力时效性进行了试验研究。首先采用静力压实法将3种不同含水率的高庙子膨润土粉末压实为两种不同密实状态的试样,随后在保持压实试样的体积和含水率不变的条件下,分别静置0,1,7,15,30和90 d,最后采用膨胀仪对完成静置试样的膨胀力进行量测;同时结合静置过程,完成了部分试样的扫描电镜（SEM）试验。试验结果表明：高庙子膨润土的膨胀力随静置时间的增长不断减小,且前期减小明显,后期逐渐趋于稳定;膨胀力的时效性与试样初始条件有关,试样含水率和干密度越大,膨胀力随静置时间的衰减越明显,即时效性越强。SEM试验结果表明,静置90 d后,高庙子膨润土内的蒙脱石发生了水化,集合体分解,颗粒相互黏结,微观孔隙结构趋于均质化,呈现点阵式的絮状结构;试样静置过程中不同微观结构层次之间的水分重分布导致的蒙脱石水化是高庙子膨润土静置过程中膨胀力降低的主要内在原因。     

非饱和膨胀岩饱和度及胀缩特性试验研究

膨胀岩变形破坏导致的工程灾害时有发生,深入研究膨胀岩的变形破坏机制很有必要。通过室内膨胀及收缩试验,并结合吸力理论,对南宁非饱和强膨胀岩原状样饱和度及胀缩特性进行研究,探讨膨胀岩胀缩变形机制。膨胀试验分为不同初始含水率下的无荷载膨胀率试验和不同垂直荷载下的有荷膨胀率试验,收缩试验在试样充分饱和后自然风干条件下进行。研究结果表明:非饱和膨胀岩吸水膨胀过程中,无荷载及荷载小于膨胀力条件下,饱和度和膨胀率均呈三阶段模式增长,前者饱和度和膨胀率之间呈指数渐进递增关系,后者饱和度和膨胀率之间呈非线性增长趋势,膨胀率变化均滞后于饱和度,即先达到饱和状态;等于膨胀力的有荷载膨胀时,膨胀岩吸水体积不变但饱和度变化直至饱和状态;膨胀岩吸水初期饱和度变化趋势受初始含水率影响,缩限附近的初始含水率的影响尤其显著,膨胀稳定后的饱和度对上覆荷载不敏感;收缩试验的饱和度呈三阶段衰减模式发展,饱和度与线缩率间呈负相关关系;对南宁非饱和膨胀岩,饱和度在80%～90%时,主要发生饱和度变化。研究成果可为合理构建膨胀岩胀缩本构模型提供科学依据,也可为非饱和膨胀岩工程稳定性的评估提供参考。     

高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

岩石节理张开度的概率模型与随机模拟

为研究岩石节理张开度的概率模型，将节理抽象成界面层，根据含贯通节理的岩石压缩变形特征，确定节理的平均力学张开度。根据节理非饱和渗流试验测定的毛细压力与饱和度的关系推断节理张开度的概率分布类型和分布参数。研究表明，单参数的Gamma分布可合理地表征节理张开度的随机分布特征；张开度的空间变化可用Monte－Carlo法模拟，从而为进一步研究岩石节理的非饱和渗透特性创造条件。     

坝基破碎岩体高压渗透变形原位试验

 为获取向家坝水电站坝基挤压破碎带岩体的渗透变形特性,针对坝基破碎岩体空间分布特点,研究适合于渗透变形试验的现场压水试验系统和压水试验方法,提出坝基岩体渗透变形的原位高压试验方法。本研究最大特点是采用对观测孔内的水质取样分析和钻孔电视录像进行对比分析方法来研究原位渗透变形特征,并提出确定临界水力坡降的基本判据。研究结果表明,所提出的原位渗透变形高压压水试验方法可以较好地反映破碎岩体实际环境状态,原位渗透变形试验获得的临界水力坡降较室内试验成果更真实合理。     

降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟

在对多孔介质中的饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、水力传导系数及毛细水头等。利用相关程序对降雨条件下的基坑边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头及坡体内不同位置处的渗流速度随降雨时间的变化规律。模拟结果与实际情况比较吻合,可为基坑边坡稳定性的分析提供参考依据。     

波动采油对饱和单相一维储层模型渗流的影响分析

 基于低频波动采油作用下的低渗储层开发背景,对渗流孔隙介质波动控制方程进行Laplace解析–Durbin离散求解,分析低频波动采油对饱和单相一维储层渗流的影响。通过对时间 进行Laplace变换,利用迭代消去和非齐次微分方程降解解法,结合开发储层边界与初始条件,推导得到Laplace变换域内单一波作用下一维储层定压或定流量开发时的流固位移解;利用延长油田物性拟合参数,Matlab编程计算饱和水相孔隙介质和不同振动频率下饱和油相孔隙介质两类算例的渗流变化。计算结果验证了波动采油技术在储层开发过程中的增渗能力,在一定储层物性条件下存在最佳振动参数(文中最佳振动频率为10～30 Hz),使得孔隙度和渗透率增幅最大,与实验规律相符。     

考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法研究

考虑黄土特殊力学性质的边坡稳定性分析方法研究对于保障国家"西部大开发"战略和"一带一路"倡议的实施具有重要的意义。利用渗流—软化—稳定性分析顺序耦合的研究思路,对地下水位上升条件下的黄土边坡稳定性进行分析。首先借助非饱和非稳定渗流分析理论进行地下水位上升条件下黄土边坡的渗流分析;其次基于渗流分析的计算成果借助水致结构性劣化方程动态更新土体强度参数的空间分布;基于总重度、黏聚力、内摩擦角和孔隙水压力的时空分布规律,采用面力法提出了考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法。最后以地下水位上升条件下白鹿塬边某黄土边坡为例,通过考虑参数时空演化规律的黄土边坡稳定性Spencer法和M-P法计算成果之间的相互对比分析,同时将这些成果与现场勘察迹象进行对比,从而说明考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法的合理性和可靠性。     

长江三峡库区黄腊石边坡地下水作用规律与动态稳定性评价

以黄腊石滑坡为例，针对地下水在边坡失稳过程中的关键作用，定量研究地下水渗透力对滑坡稳定性的影响。采用更接近于实际地下水位的渗透力计算方法，计算了黄腊石边坡地下水渗流场在地下水位变化时的水头分布情况；并对渗透力进行了计算，从而定量地分析了地下水对滑坡的作用，发现渗透力的峰值分布在应力集中的前缘段。在此基础上，在剩余推力法中引入渗透力的算法，根据地下水的月平均观测水位，得出考虑渗透力和未考虑渗透力情况下稳定性系数与时间的关系。发现考虑渗透力的情况下黄腊石边坡稳定性系数有随时间逐渐减小的趋势，最大降幅可达0．2020，且出现在地下水位迅速降落之时。这说明地下水位突降时，其引起的渗透压力最大，且渗透力对黄腊石边坡稳定性的降低作用随时间有增大的趋势。根据地下水的作用机理和渗透力分布的计算分析结果，结合该边坡的实际情况对黄腊石边坡的防治提出了相应的建议。     

水合物形成对含水合物砂土强度影响

采用非饱和成样法（A法）和饱和试样气体扩散制样法（B法）两种试验室方法,合成了含CO₂水合物的砂土试样,并采用改造过的三轴剪切试验仪完成了相应的三轴剪切试验。实验结果表明：A法制得试样强度和刚度随水合物饱和度增大而增大,且相当敏感;而B法制得试样在水合物饱和度为19.44%与纯砂土的力学特征差别很小,在较高饱和度（26.73%）时,含水合物砂土的强度和刚度就有了较为明显提高;由此可以得出含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;同时也发现随着水合物饱和度的增大,试样的剪胀性越来越明显。最后,通过对A法制得试样的强度参数分析表明：含水合物砂土的黏聚力随饱和度的增大而提高,而摩擦角基本不变。     

渗流场的差分法与防渗结构侧水压力的探讨

为解释常用的防渗体侧水压力计算模型与实测值之间的明显差异,文章提出：“节点间等效渗透系数”、“拓展零渗透节点”、“可变零渗透节点”等概念在分析地下水渗流场中的意义,以解决差分法对地下水渗流潜水面的数值模拟问题;并在模拟工程实例的基础上,对侧水压力实测的模拟结果和对常用防渗模型误差来源的分析;指出常用防渗模型侧水压力的分析误差主要是因该模型未能较准确反映实际流场而造成的;在工程应用中,防渗体侧水压力的确定应根据不同情况予以分别对待。     

接头抗弯刚度非线性及渗水影响下盾构隧道力学行为分析

盾构隧道在运营过程中会出现局部渗漏水,对结构的长期安全性有较大影响。目前渗漏水研究中,难以对局部渗漏及盾构隧道的力学特性同时进行准确的模拟。针对该现状,提出一种组合模拟方法,即渗流计算时,管片结构采用均质圆环模型,在局部接头处设置相应的渗流路径;而在力学计算时,关闭渗流场,将管片结构的均质圆环模型替换为考虑接头抗弯刚度非线性的壳–弹簧–接触–地层模型,迭代计算达到平衡。采用该方法对不同渗流量及渗漏位置情况下,隧道周围孔隙水压力分布规律及结构的力学行为进行了对比分析。分析结果表明:渗漏量越大,孔隙水压力降低越明显,结构内力变化越显著,且拱腰附近接头渗水对结构内力的影响程度大于拱顶与拱底附近接头渗水;各接头渗水时,影响区域的划分表现出一致性,即以渗水接头为中心,两侧各36°的区域为严重影响区域;与严重影响区域相连,两侧各48°,60°区域为一般影响区域,剩余区域为微弱影响区域。复合地层情况下,与静水压力工况相比,上半部分渗水导致结构上侧正弯区域增加,下半部分渗水导致结构下侧正弯区域增加,且轴力沿全环分布不均,渗漏侧轴力平均值小于非渗漏侧轴力,对管片结构受力不利。     

Study on coupled seepage and stress fields in the concrete lining of the underground pipe with high water pressure

When an underground pipe works in high water pressure, cracks often occur in the concrete lining and cause the inner water flowing out to the rock mass. For simulating the hydraulic–mechanical interaction in the process of cracking, a coupling method which based on the three-dimension elasto-plastic finite element method (FEM) is proposed in this paper. The coupling principle can be described as follows: the change of stress field leads to the change of permeability coefficient and the redistribution of the seepage field; the new seepage field will produce new seepage force and lead to the change of stress field. The crack expansion and its influence on the seepage and stress fields are studied in paper. As an engineering example, the coupling model is applied in the structural analysis of the lower bifurcated pipes and the surge chamber of Xiaowan Hydropower Station in China, and the computation results show the coupling method is reasonable.