节理煤体低温损伤机理及影响范围研究

节理普遍存在于地下煤储层中,是煤层气存储和运移的主要通道。为了研究冻融作用下煤体自身含水饱和度的不同,对节理结构损伤和液氮作为煤体的制冷剂逆传热至-45℃作用范围的影响,利用低温保存箱为不同含水饱和度煤样提供-45℃低温环境,对煤样进行循环冻融交叉实验;并建立以液氮作为制冷剂的传热模型,进行单周期低温加载数值模拟。结果表明：(1)煤样表面以及内部节理扩展量随着低温循环冻融周期的增加而逐渐增大,单轴抗压强度逐渐降低;煤样表面维度逐渐从二维向三维转化、表面及内部节理结构损伤程度加剧;(2)煤样节理结构损伤程度随含水饱和度的增加而增大,100%饱和度时,煤样循环冻融41周期后破碎;(3)单周期传热模型随着含水饱和度的升高,影响范围变小,且传热时间变长,100%含水饱和度下煤体传热至-45℃的传热半径仅为2.77m,所用时间为2531.2s,表明含水饱和度制约着传热半径及传热时间,含水饱和度越高,制约越明显。     

共面闭合断续节理岩体直剪强度特性研究

介绍了节理面和岩桥各自的抗剪强度机制,引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式。模型试验发现,剪切破坏面以拉剪复合破坏为主,同时岩块中伴随大量的拉张微裂隙。试样的强度和变形具有明显的阶段性,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

平面应力条件下闭合断续节理岩体力学特性试验研究

通过平面应力条件下闭合断续节理岩体的破坏试验,采用自行研制的高压柔性加载装置施加垂向和侧向荷载,用千分表和激光散斑照相技术量测试体位移场,用应变花量测试体平面应力场． 结果表明,激光散斑法用于测定闭合断续节理岩体的位移场效果良好,其测值比对应点千分表测值偏小１４％ 左右．据所测得的位移场和应力场,研究了裂纹尖端应力场的演变及裂纹扩展的路径,分析了试体的变形和破坏特征,测定了翼裂纹初裂角,探讨了试体的破坏机理．     

有限元计算中疏密网格过渡方法研究

工程计算中出于节省计算量的目的,往往需要在一个有限元模型中布置粗细不同的网格。为保证计算结果的准确性,必须保证网格突变情况下的位移协调问题。本文工作之一是在强天驰界面过渡单元的基础上,引入虚拟节点和子单元,在子单元中应用节理元思想,提出了基于最小势能原理的弹簧节理单元法。简化了积分运算,避免了精度要求极高的坐标转换,从而提高了方法的精度和实用性;二是提出了基于位移约束的主从自由度法,简便实用,只需简单的矩阵运算即可实现。两种方法均实现了不同尺寸网格间位移的协调性和刚度的匹配,从而使之满足有限元收敛准则,且生成的刚度阵具有对称性及带状性。算例证明两种方法精度良好,并可方便地应用于求解大规模工程问题。     

不连续岩体数值分析的超级有限元法

本文论述了利用超级元法对不连续岩体进行数值分析的方法。超级元法把要进行分析的工程岩体划分成为数不多的若干个超级单元，每个超级单元中可以包括各种不同类型的结构单元，而总体刚度矩阵的规模大大减少，从而使得在大型岩体工程的分析中考虑各种类型的节理、裂隙的影响成为可能．     

互层状岩体及节理岩体的粘弹性模型

采用对互层岩体或节理岩体的不同介质进行“分离、集中”的方法得到了互层或节理岩体的二维和三维粘弹性模型。这个模型在互层或节理岩体的数值分析中是较实用的。     

埋地热力管网非线性复合有限元力学模型及其热胀内力分析

假定土壤对管道的纵向摩阻力服从双线性规律,对端部有弯头、伸缩式补偿器或支墩的埋地管段建立了含有节理或刚臂的非线性复合单元模型,考虑到扁平效应及内压对弯头柔度的影响,编制了平面埋地热力管网热胀力通用计算程序。给出了算例,得到了令人满意的结果。     

裂隙煤岩中应力波的研究

分析了应力波在煤岩体中的传播特征,和冲击应力波与煤岩中裂隙的作用关系。运用理论推导的方法研究应力波长与节理宽度的相对比值对应力波在节理内能够发生反射的次数。对完善冲击破煤理论和指导冲击破煤工作提供理论依据。