一种双重孔隙-裂隙岩体流变模型及其在地下洞室有限元分析中的应用

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,在理论上给出了其流变参数及强度指标的确定方法,建立了瞬弹-黏弹-黏塑性平面有限元求解格式和研制了相应的计算程序。针对一个矩形地下洞室围岩为裂隙岩体和完整岩体的两种工况进行数值分析,对比了围岩中的位移、应力及塑性区。其结果显示:相比于单一介质的情况,双重介质因其变形模量、凝聚力和内摩擦角减小,故洞室围岩中随时发展的位移和塑性区有明显的增长,两种工况的围岩应力分布亦存在较大的不同,特别是双重介质围岩中最大主应力σ_1和最小主应力σ_3的差值较大,因此,提高了围岩破坏的可能性。     

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元（REV）中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔（裂）隙水压力及流速、孔（裂）隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为了探讨在法向应力和剪应力的共同作用下裂隙开度的变化对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,引入裂隙的渗透系数与开度关系的“立方定律”,建立了裂隙渗透系数演化式。应用开发的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合二维有限元程序,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,分别在2组裂隙斜交和正交的条件下,针对与裂隙开度3种计算方式对应的6种工况进行了数值分析,考察了围岩中的温度、孔隙和裂隙水压力、裂隙开度、裂隙的渗透系数、地下水流速、应力的变化、分布状态。结果显示,当裂隙开度仅取决于法向应力时,裂隙开度受压应力作用产生的闭合量最大,从而裂隙水压力最高;而当裂隙开度是法向应力和剪切位移的函数时,由于“剪胀”效应,裂隙开度闭合量较前述情况为小,裂隙水压力居中;而当裂隙开度是常数时,裂隙水压力最低     

裂隙岩体流固耦合双重介质模型的有限元计算

基于孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质流固耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出的相应有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例,将计算结果与相关文献作了比较,得出相关结论。     

正交各向异性岩体中地下洞室稳定的粘弹-粘塑性三维有限元分析

建立了一种正交各向异性岩体的粘弹－粘塑性模型，推导和描述了相应的数值计算表达式和有限元分析的步骤，并使用所编制的三维有限元程序，以在层状岩体（横观各向同性介质）中的地下洞室开挖为算例，考察了围岩的流变动态，得出了几点结论。     

地下洞室埋深对围岩双重非线性影响的有限元分析

分别使用小变形和大变形弹塑性有限元方法,对位于不同埋深的地下洞室围岩动态进行了计算,分析了围岩中的塑性区、位移场和应力场。当洞室埋深较小时,岩体双重非线性表现不明显,小变形与大变形方法所得结果相当接近;当洞室埋深较大时,岩体的双重非线性明显呈现而使得两种方法的结果相差较大,此时宜选择用大变形理论。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

层状岩体地下洞室的Cosserat理论有限元分析

采用一般有限元对互层岩体进行数值分析研究时,要求的单元数量多、建模工作量大;并且难以反映层状岩体的弯曲变形特性。针对这种岩体Cosserat介质模型是一种很有用的有限元等效模型。首先对基于平面应变问题的Cosserat介质理论及扩展模型简略介绍,然后导出了模型的Mohr-Coulomb塑性屈服条件。再利用Matlab平台编制有限元程序,并对地下洞室工程进行数值模拟。将所得结果与传统连续介质法的结果进行对比。结果表明,基于Matlab的Cosserat有限元程序的有效性及解决互层岩体这类问题的适用性与优越性。     

裂隙刚度随应力变化对双重孔隙介质热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入并修正了变刚度的连续屈服节理模型,同时考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合有限元计算程序作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库的数值模拟,就岩体裂隙刚度变化的2种工况,分析了岩体中的温度、裂隙刚度、正应力、孔（裂）隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果显示：与裂隙刚度是常数时相比,裂隙刚度是法向应力的函数时计算域中温度较低;岩体应力的大小也有一定不同,其分布与裂隙刚度“场”有明显的相似性;并且负孔（裂）隙水压力的绝对值要略小一点,约是常数时的98%。     

不连续岩体扩展有限元法的前处理

扩展有限元法是针对不连续问题提出的一种改进的有限元法,由于其计算网格独立于结构内不连续面,该方法十分适用于处理不连续问题,因此,该方法需能将不连续面和计算网格的几何信息转化为计算分析所需的单元拓扑信息的前处理。针对扩展有限元法在不连续岩体问题中的应用,系统地研究了二维扩展有限元解决不连续问题时单元拓扑信息生成等前处理问题,给出了单元拓扑信息自动生成算法,将不连续面和计算网格几何信息转化为计算所需要的单元拓扑信息,并在此基础上开发了不连续岩体二维扩展有限元法前处理程序。结果表明该算法和程序的适用性和正确性,同时还表明扩展有限元法在不连续岩体问题求解中有较好的应用前景     

Three dimensional elasto-viscoplastic finite element analysis of reinforced rock masses and its application

Passive, fully grouted rock bolts are widely used in rock engineering. Based on the observations of the laboratory test phenomena, a three-dimensional elasto-viscoplastic constitutive model which takes special attention to the bolt's behaviour at a joint has been proposed. The model is justified by the laboratory test and is applied to the structure design of the upper gate bay of the navigation lock in The Three Gorges Project. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

塑性扩容梯度对孔隙介质岩体中T-H-M耦合作用的二维有限元分析

由双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型退化为单一孔隙介质模型,将其与岩体扩容梯度引入笔者所研制的二维有限元程序中,使用Mohr-Coulomb准则,计入塑性扩容对岩体孔隙率及渗透系数的影响,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和孔隙介质岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定不同扩容梯度值的5种工况,进行4年处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、正应力、塑性区、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果主要显示,相比于不考虑扩容梯度的工况,考虑扩容梯度工况的正应力、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速等的分布与塑性区的分布有明显的对应关系,呈现了某种"剪切带效应";正应力量值、塑性区面积、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速等均随所取扩容梯度值的变大而增加。     

不同的层状岩体抗剪强度表达式计算效果的有限元分析

为考察不同的各向异性抗剪强度表达式对于数值计算结果的影响,以一个假定的位于层状岩体中的矩形地下洞室为背景,分别使用笔者和Pietruszczak各自提出的材料摩擦系数和黏聚力随方向变化的公式,进行3种工况的弹塑性二维有限元模拟,对比了围岩中的应力、位移及塑性区。结果显示,笔者提出的经验表达式与和相应的Pietruszczak一阶表达式在计算中的精度基本相当,而与Pietruszczak的二阶表达式相比有较明显的差别。     

节理岩体的三维阶谱复合单元法初步研究

阐述了节理岩体复合单元法基本原理,引入了阶谱有限单元法中的虚节点和广义节点概念,提出了覆盖虚棱（面）和广义棱（面）的概念,并进一步将虚节点和广义节点分类。在此基础上构造了节理岩体的三维复合单元不同阶次时的位移函数并推导了对应的刚度矩阵。算例表明此法是合理有效的。提出的概念有助于复合单元法和传统有限单元法二者升阶谱的理解与统一实现,并为实现节理岩体三维复合单元法的P型自适应奠定了基础。     

An anisotropic strength criterion for jointed rock masses and its application in wellbore stability analyses

In this paper, an anisotropic strength criterion is established for jointed rock masses. An orientation distribution function (ODF) of joint connectivity, is introduced to characterize the anisotropic strength of jointed rock masses related to directional distributed joint sets. Coulomb failure condition is formulated for each plane of jointed rock masses by joint connectivity, where the friction coefficient and cohesion of the jointed rock mass are related to those of the intact rock and joint and become orientation dependent. When approximating joint connectivity by its second‐order fabric tensor, an anisotropic strength criterion is derived through an approximate analytical solution to the critical plane problem. To demonstrate the effects of joint distribution on the anisotropic strength of jointed rock masses, the failure envelopes are worked out for different relative orientations of material anisotropy and principal stress axes. The anisotropic strength criterion is also applied to wellbore stability analyses. It is shown that a borehole drilled in the direction of the maximum principal in situ stress is not always the safest due to the anisotropic strength of the jointed rock mass. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的三维数值模拟

在岩体结构模型概化的基础上 ,采用三维有限元数值分析方法 ,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律 ,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

Modified predictor-corrector solution approach for efficient discontinuous deformation analysis of jointed rock masses

The high computational costs associated with the implicit formulation of discontinuous deformation analysis (DDA) have been one of the major obstacles for its implementation to engineering problems involving jointed rock masses with large numbers of blocks. In this paper, the Newmark-based predictor-corrector solution (NPC) approach was modified to improve the performance of the original DDA solution module in modeling discontinuous problems. The equation of motion for a discrete block system is first established with emphasis on the consideration of contact constraints. A family of modified Newmark-based predictor-corrector integration (MNPC) scheme is then proposed and implemented into a unified analysis framework. Comparisons are made between the proposed approach and the widely used constant acceleration (CA) integration approach and central difference (CD) approach, regarding the stability and numerical damping features for a single-degree-of-freedom model, where the implications of the proposed approach on open-close iteration are also discussed. The validity of the proposed approach is verified by several benchmarking examples, and it is then applied to two typical problems with different numbers of blocks. The results show that the original CA approach in DDA is efficient for the simulation of quasi-static deformation of jointed rock masses, while the proposed MNPC approach leads to improved computational efficiency for dynamic analysis of large-scale jointed rock masses. The MNPC approach therefore provides an additional option for efficient DDA of jointed rock masses.     

碎石垫层强度与变形特性试验研究和有限元分析

碎石垫层已广泛应用于土木工程各个领域,但碎石垫层的强度与变形特性尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对5种不同厚度碎石垫层在高应力下的室内模型试验和有限元分析,揭示了不同厚度碎石垫层的强度特性和变形特征。通过有限元分析与试验结果的对比分析,得出了不同厚度的碎石垫层荷载与沉降变形、竖向应力与侧向约束力都近似呈线性变化。碎石垫层的厚度对沉降大小有一定影响,在其他条件相同的情况下,碎石垫层越厚,沉降越大。在一定荷载作用下,碎石垫层在较短的时间内自身压缩变形已基本趋于稳定,而后随时间的增加,其压缩变形量很小。提出了一种测定碎石类土侧压力系数、泊松比及变形模量的试验测定方法,以期为测定其他类别土的侧压力系数、泊松比及变形模量提供参考。