分形介质饱和渗流应力耦合数值模拟研究

基于介质骨架、固体颗粒以及水是可压缩的这一假设,推导出饱和的渗流应力耦合控制方程组。采用加权残值法对耦合方程组进行有限元离散,并推导相应的弹塑性矩阵。对耦合计算中的渗透系数分形模型展开讨论,综述采用分形维描述多孔介质和裂隙介质渗透系数方面研究的进展。最后,在给出的固结算例中采用一个较为实用的分形渗透系数模型,该模型可模拟渗透系数随介质变形而变化。数值计算的结果显示出良好的规律性,可以提高对耦合试验观测现象的理解。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

 基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角?冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取? = 0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明：水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

两种不混溶流体饱和岩石中弹性波的传播

由孔隙介质多相渗流力学和连续介质理论可知，当多孔介质的孔隙中同时存在两种不混溶流体时，可以通过3个运动方程、2个渗流连续方程以及相应的物性方程来描述其动力特性。基于此，推导并求解了两种不混溶流体饱和多孔介质中全频域波动方程。波动方程推导过程不仅考虑了固体骨架、固体颗粒、不同孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合，还考虑毛管压力、束缚饱和度及残余饱和度的影响，所以该模型具有较广泛的适用性。研究结果表明，由两种不混溶流体饱和的多孔介质中，同时存在3种压缩波和1种剪切波，各种波的速度和衰减特性将随着频率和饱和度的改变而发生急剧变化。另外，还将此模型的计算结果与已有文献中的试验数据和理论结果进行对比。     

饱和多孔介质流-固耦合的数值模型及工程应用

基于计算流体力学和岩土力学,考虑渗流场和应力场的相互作用,推导介质的平衡方程和饱和孔隙流体的连续性方程,建立流-固耦合模型。结合Galerkin法,对平衡方程进行有限元离散,同时,采用向后差分格式和二阶精度Warming-Beam差分格式,对连续性方程进行有限差分离散,从而对模型进行数值求解。最后,以一富水双向隧道为例,进行施工数值仿真,得到不同施工阶段隧道围岩的孔隙水压力、位移场、应力场的分布及其支护锚杆的受力特性,并将计算结果与相关现场监测得到的一般性规律进行对比,为类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

与应变状态相关的岩体双重孔隙介质流-固耦合的有限元计算

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了相应的有限元公式，并基于岩体分类指标(RQD，RMR）两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．     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

用同伦方法反演流体饱和孔隙介质的参数

从材料响应的理论合成应与实际测量数据相拟合这一出发点，将参数反演问题转化为非线性方程组的零点求解问题，从而应用一种大范围收敛的同伦方法来求解非线性方程组，并把这种方法用于Simon1984年给出的具有解析解的一维双相介质模型的数值模拟。数值模拟实例的结果表明了同伦方法的可行性和稳健性。     

基于图像数字化技术的裂隙岩体非稳态渗流分析

对于岩体的非均质性和微结构分布，多引用统计学随机抽样方法来描述。引入图像数字化技术来真实客观地反映岩体的主干裂隙、次裂隙及裂隙化区域和较完整岩块的分布，并将其和数值方法相结合，用来分析二维裂隙岩体的非稳定渗流过程。首先，需要获得高清晰度的岩体数字图像及岩体中不同结构对应的不同特征值I，这样通过，值可建立起岩体中不同结构渗透系数的真实分布。其次，将该物理参数分布输入到开发的基于FEMLAB的岩体多物理耦合过程分析程序中，就可真实地反映裂隙岩体的非稳定渗流过程。数值分析结果表明，该方法是可行且有效的，比统计抽样方法有明显的优点，其结果更能反映真实的物理现象。     

层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析

对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究,同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性,导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性,如I型及I-II复合型裂纹的剪切起裂扩展,锯齿状的裂纹扩展路径等等。此外,通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。由计算所得的KI和KII数值解,得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。通过试验及理论探讨,为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础,所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。     

温压耦合作用下岩石动态破坏过程和机制研究

温压耦合是深部岩石(体)的典型赋存环境。为揭示温压耦合下岩石的力学特性和破坏规律,采用实验和数值仿真相结合,研究岩石在不同温度和轴向静压力作用下的动态破坏过程,数值模拟再现温压耦合作用下岩石动态破坏性质的变化规律,给出温压耦合作用下岩石的动态破坏模式以及不同温度和不同轴向静压作用下破坏形态的差异。结果表明,在温度作用下,岩石发生膨胀导致热应力的产生;在相同轴向静压、不同温度作用下岩石的破坏形式相似,但是随着温度的升高,试样表面自由膨胀引起应力释放,而在试样内部会产生应力聚集,破碎更为粉碎。     

考虑流固动力相互作用的大型渡槽地震响应研究

根据符拉索夫及豪斯纳尔理论建立考虑槽内水体与渡槽槽身流固耦合的渡槽薄壁结构空间地震响应计算模型,该模型综合考虑了渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转变形、约束扭转变形以及槽内水体对槽身的流-固动力相互作用等。由能量变分原理推导给出了渡槽薄壁梁段单元刚度矩阵及质量矩阵,按粘滞阻尼假设建立了渡槽结构阻尼矩阵。利用该模型对南水北调中线水利工程某大型渡槽进行了多工况地震时程响应计算。计算结果说明在地震作用下,渡槽槽内水质量对渡槽的横向地震响应有较大影响,在大型渡槽抗震设计计算时应予以重视。本文模型计算简单易行,是考虑槽内水体流固耦合作用的渡槽薄壁结构实用的地震响应计算模型,计算结果可为大型渡槽的抗震设计提供参考。     

饱水对致密岩石声学参数影响的试验研究

通过纵、横波透射测试得到了岩石内部结构的一些信息,对致密板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩的声学参数进行了研究。对岩石岩样声波运动和动力参数的分析发现:(1) 上述三种岩石吸水率均较低,一般为0.05%～0.2%。其纵波波速受水的影响较小,饱水后花岗片麻岩、黑云母片麻岩纵波波速略有提高,提高幅度为1.35%～1.97%,板岩纵波波速略有降低,变化小于0.95%;而对于这三种岩石横波速度提高0.22%～1.61%。(2) 板岩、黑云母片麻岩等区域变质岩的波速各向异性特征明显,而花岗片麻岩波速不存在明显的各向异性特征。饱水对区域变质岩的波速各向异性略有强化,而对花岗片麻岩影响很小。(3) 饱水后,从上述三种岩石接收到的纵波波谱都发生了变化,纵波主频明显降低,表现为对波谱中高频成分滤波作用的增强。在饱水和烘干状态下,岩石的滤波作用都表现出了明显的各向异性,这反映出岩石不同方向上的微观结构存在差异。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

低渗透饱和岩石加载时体积弹模与孔隙液压的关系

低渗透率饱和岩石受单轴压力作用时，由于其本身结构的变形，使得孔隙的液体也受压。受压的孔隙液体通过与外界相通的微小管道排出，使得孔隙液体压力降低，于是外力转嫁给固体结构，通过相应调整适应这种变化。这样，通过一系列的排液变形和调整，最终达到平衡。定量给出了饱和岩石内孔隙液压的前期变化过程、岩石结构受力过程以及饱和体体积弹模的变化过程，并通过试验验证了这一现象的变化过程的合理性，展示了岩石由于结构浸水、胶质软化而在后期刚度下降。     

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...     

围岩–支护作用机制评述及其流变变形机制 概念模型的建立与分析

 岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩–支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩–支护作用机制存在的缺陷和错误,包括：(1) 模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2) 由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3) 将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩–支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩–支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩–支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。     

粘土岩饱和-非饱和渗流机理研究

非饱和渗流、应力耦合行为是影响粘土类工程岩体的强度和稳定性的重要因素。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，应用塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型，研究在隧道开挖、混凝土衬砌支护和通风的过程中围岩干缩和膨胀的力学机理，得到了围岩内渗流的初始饱和一非饱和一近饱和过程，研究成果对解释工程现场的泥化、崩解机理具有重要的理论和实践意义。