作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

岩体交叉裂隙水流分配特性研究

岩体交叉裂隙的水流分配特性对揭示水体运移规律、人工疏导地下水、优化水力压裂方案等具有指导作用。文章利用自制裂隙渗流实验装置测试了常见"一进两出""人"字裂隙开度、交叉角度变化时的流量分配特性。利用交叉控制体模型和雷诺输运方程分析了产生流量差异的原因。结果表明,偏流来自惯性力与裂隙壁面法向力作用产生的漩涡;流量分配只受进口和旁路裂隙开度的影响,与交角和水力梯度无关;旁路流量比(旁路流量与进口流量之比)与裂隙开度间存在实验幂次定量关系。     

考虑裂隙间相互作用情况下围压卸荷过程应力应变关系

岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙，同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。为此本文首次利用位错模型法结合叠加原理研究在围压卸荷条件下裂隙间的相互作用对岩体的变形的影响问题。文中推导了考虑裂隙间的相互作用情况下裂隙岩体围压卸荷过程的应力应变关系及应力强度因子表达式，且进行了数值计算。     

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。     

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.     

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙，形成不同结构形式的裂隙岩体，裂隙的存在会降低岩体的力学性能，对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析，基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响，采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出，岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大；随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势，其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。     

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔1715～1780m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数(导水系数T)。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体(REV)的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式,其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先,运用模型元件的方法,将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成,对黏弹性响应的Maxwell体进行改进,将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体,构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型;其次,基于断裂力学及应变能理论,对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析,综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能,得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式;最后,将模型计算结果与实验结果进行比较,模型计算结果与实验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

不同温度条件下含流体砂岩裂隙摩擦特性的试验研究

砂岩储层中由流体注入导致的地震活动与砂岩断层(裂隙)的摩擦行为有关.为了揭示不同温度条件下含流体砂岩裂隙的摩擦特性,在温度范围为25°C～140°C和有效法向应力范围为4～12 MPa的试验条件下,本文分别对干燥、水饱和以及注CO₂锯切砂岩裂隙进行了速度分级加载试验.试验结果表明:(1)对于干燥砂岩裂隙,增大有效法向应力和升高温度均能增大裂隙的初始摩擦系数,而改变有效法向应力对裂隙摩擦稳定性影响不明显,仅升高温度会略微降低其摩擦稳定性;(2)对于水饱和砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数同样会随着有效法向应力的增大而增大,但会受到升温的弱化作用,而增大有效法向应力和升高温度均能降低裂隙的摩擦稳定性;(3)对于注CO₂砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数受有效法向应力和温度变化的影响与水饱和砂岩裂隙相反,但裂隙的摩擦稳定性仅会随着温度的升高而降低,受有效法向应力的影响不明显.因此,砂岩裂隙的摩擦特性受有效法向应力、温度和注入流体类型的共同影响.该试验结果对理解流体注入诱发地震有一定的指示作用.     

裂隙岩体注浆模拟实验研究

通过单一裂隙岩体和裂隙网络岩体注浆渗流模拟实验,分析和总结了裂隙岩体注浆渗流中的一般规律,并讨论了影响注浆渗流工程的各种因素。     

Method to calculate fatigue fracture life of control fissure in perilous rock

Rupture and safety of perilous rock are dominated by control fissure behind perilous rock block. Based on model-Ⅰand model-Ⅱstress strength factors of control fissure under acting of weight of perilous rock, water pressure in control fissure and earthquake forces, method to calculate critical linking length of control fissure is established. Take water pressure in control fissure as a variable periodic load, and abide by P-M criterion, when control fissure is filled with water, establish the method to calculate fatigue fracture life of control fissure in critical status by contributing value of stress strength factor stemming from water pressure of control fissure in Paris's fatigue equation. Further, parameters (C and m) of sandstone with quartz and feldspar in the area of the Three Gorges Reservoir of China are obtained by fatigue fracture testing.     

破碎岩石气体渗透性的试验测定方法

为了测试采矿工程中松散破碎岩体的气体渗透特性,设计了与MTS815.02岩石力学伺服机配套的气体渗透仪和测试系统。依靠MTS伺服机改变压力和位移条件,渗透仪用以稳定破碎岩石并连接气体测试系统,接入气源、组成回路和测试气透特性等由测试系统完成。通过对几组破碎砂岩岩样氮气渗透性能的测试,结合考虑状态方程的渗透率换算公式,得出破碎砂岩气体渗透率随压力和粒径条件的变化规律。该测试方法和测试结果在研究采动破碎岩体瓦斯等气体流动规律方面具有重要意义。     

Theoretic expression of flow rate for a single fracture with linearly varying width

By means of reasonable assumption and mathematical derivation, a theoretic expression of flow rate for a single fracture with linearly varying width was obtained. The mathematical derivation was based on the cubic law and the new theoretic expression was an extention of traditional parallel plate model. This study may help to analyze seepage in fractured rock mass.     

A shape optimisation method of a body located in adiabatic flows

The purpose of this study is to derive an optimal shape of a body located in adiabatic flow. In this study, we use the equation of motion, the equation of continuity and the pressure–density relation derived from the Poisson’s law as the governing equation. The formulation is based on an optimal control theory in which a performance function of fluid force is taken into consideration. The performance function should be minimised satisfying the governing equations. This problem can be solved without constraints by using the adjoint equation with adjoint variables corresponding to the state equation. The performance function is defined by the drag and lift forces acting on the body. The weighted gradient method is applied as a minimisation technique, the Galerkin finite element method is used as a spatial discretisation and the implicit scheme is used as a temporal discretisation to solve the state equations. The mixed interpolation, the bubble function for velocity and the linear function for density, is employed as the interpolation. The optimal shape is obtained for a body in adiabatic flows.     

A VARIATIONAL INEQUALITY APPROACH FOR NON-STEADY SEEPAGE FLOW THROUGH THREE-DIMENSIONAL FRACTURE NETWORK

为了求解裂隙岩体有自由面非稳定渗流问题,将Darcy定律延拓至整个研究区域,使得潜在溢出边界条件满足Signorini型边界条件,建立了三维裂隙网络非稳定渗流问题的抛物型变分不等式（parabolic variational inequality,PVI）提法,并证明其与偏微分方程（partial differential equation,PDE）提法的等价性,从而将自由面上的流量条件以及潜在溢出边界上的互补条件转化成自然边界条件,降低该问题求解难度。同时给出了基于PVI提法的有限元数值求解方法,通过与交叉裂隙模型理论解的对比分析,证明了该方法的正确性。最后将该方法对含复杂三维裂隙网络的边坡进行非稳定渗流分析,计算结果表明该方法对于复杂裂隙网络求解具有较强的可靠性和适应性。     

一维渗透力与浮力

为简化分析,针对一维渗流问题,研究提出了土力学中渗透力和浮力的两种推导方法,作为传统的宏观尺度孔隙水隔离体法的有益补充.弹性力学平衡微分方程、土力学Terzaghi有效应力方程和流体力学简化Bernoulli方程构成本文分析渗透力和浮力的3个基本方程.在基本方程基础上,容易推导出相应的骨架和孔隙水两种隔离体的平衡微分方程,从而在静力平衡范畴内揭示渗透力和浮力的内涵.单位体积饱和土体的渗透力,源于总水头压力的梯度,而浮力则源于位置水头压力在竖向的梯度,这两者统一于骨架或孔隙水的平衡微分方程.实际工程关注的有效应力计算问题,一般可以直接应用3个基本方程来确定;只有在简化条件下可按渗透力和浮力计算土体中有效应力分布规律.还讨论了若干研究热点问题,重点探讨了当前一种渗透力新定义j=nγ_wi在形式上的合理性以及在实际应用中可能存在的风险,并验证了一维渗透力的一种经典精细化表述结果中考虑渗流速度时间导数的严谨性.在土力学渗透力和浮力问题研究中应重视和正确应用Terzaghi有效应力方程.     

Flow and migration of nanoparticle in a single channel

A numerical simulation based on a combined Euler and Lagrange method is investigated in this work to simulate the flow and migration of nanoparticles in a single channel. The motion of discrete nanoparticles is determined by the Lagrangian trajectory method based on the Newton’s second law that includes the influence of the body force, various hydrodynamic forces, the Brownian motion and the thermophoresis force. The coupling of discrete particles with continuous flow is realized through the modification of the source term of the continuous equation. The results reveal the two-phase flow nature of nanoparticle suspensions and their implications to the convective heat transfer of nanofluids.     

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。