工程岩体应力—渗流耦合的PD-FEM-FVM模拟分析方法及应用

作     者：张道生 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周宗青

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：工程岩体 流固耦合 PD-FEM-FVM耦合 数值模拟 围岩稳定性 

摘      要：随着我国交通基础设施建设的蓬勃发展,大批公路铁路隧道、水利水电工程建设将向地质条件更为复杂的西部山区和岩溶地区以及赋存环境更为恶劣的海底迈进。隧道建设面临着一系列的工程地质问题和地质灾害的威胁与考验,经常诱发围岩失稳、突涌水等一系列重大工程灾害,严重制约着隧道施工安全。深入认识地下工程灾害机理及演化过程是灾害防控的理论基础。数值模拟以其科学、经济、直观等优势成为当前主要的研究手段,围岩失稳等岩体破裂问题模拟的关键在于连续-非连续的动态转化过程,近场动力学作为目前求解不连续问题最先进的数值计算方法之一,特别适用于上述问题。但是,近场动力学在工程尺度模拟中存在计算量大、计算效率低的问题,本文采用近场动力学与传统连续介质力学耦合计算来解决这一关键难题。首先,针对固体部分,采用混合建模的方式,提出了高效求解静态破坏问题的普通态型近场动力学与有限元(PD-FEM)耦合计算方法,提升了近场动力学在固体计算时的效率;其次,以上述固体部分PD-FEM耦合计算方法为基础,流体部分采用FVM基于达西定律进行计算,基于过渡层建立了普通态型近场动力学-有限元-有限体积法(PD-FEM-FVM)流固耦合计算方法,进一步提升了流固耦合计算效率。成功应用于汕头湾海底隧道(海域矿山法隧道),实现了工程尺度海底隧道应力-渗流-卸荷高效模拟,揭示了不同影响因素对海底隧道围岩稳定性的影响规律。总的来说,本文采用理论分析、数学推导、程序研发、算例验证和工程应用等手段,以“工程岩体应力-渗流耦合的PD-FEM-FVM模拟分析方法及应用为主题开展研究,主要成果包括:(1)固体计算方面,基于非局部作用的近场动力学相比基于局部作用的传统连续介质理论计算量大、计算效率低,且键型近场动力学存在泊松比限制。因此,采用混合建模的方式,提出了一种基于普通态型近场动力学和有限元耦合快速求解静态破坏问题的计算方法,通过组建耦合系统的全局矩阵和采用自适应动力松弛方法在统一框架下求解近场动力学与有限元,加快了收敛速度,极大地提高了计算效率。采用受压杆件、含圆孔板受拉伸荷载两个经典算例验证了耦合方法计算静态破坏问题的精确性与有效性。成功将本方法应用到地下洞室群开挖过程模拟中,计算结果与前人研究相一致。并且相比于纯PD方法,PD-FEM耦合方法大大的提高了计算效率,对于实现工程尺度模拟具有重要意义。同时证明了本方法预测地下洞室群围岩开挖损伤区分布特征和围岩变形规律的有效性与优越性。(2)流固耦合计算方面,当前PD-FVM耦合计算方法固体部分仍然全部采用近场动力学计算,固体计算和信息交互存在资源浪费,计算效率可进一步提升。因此,采用上文提出的PD-FEM耦合方法描述固体变形和破裂,采用FVM基于达西定律描述流体渗流,基于过渡层建立了 PD-FEM-FVM流固耦合计算方法,用于高效模拟饱和孔隙裂隙介质中裂纹扩展问题。通过多孔介质渗流和水力压裂问题验证了该方法模拟饱和多孔介质变形和破坏准确性和高效性。同时,利用该方法研究了应力状态对水力压裂裂纹扩展的影响规律,证明了应力比对水力裂缝扩展的诱导作用,展现了裂纹向最大主应力方向(或垂直于最小主应力方向)发生明显偏转的现象,得出了裂纹起裂压力与应力大小成正相关关系,与前人试验和模拟结果基本一致。(3)应力-渗流耦合作用下岩体损伤破坏模拟的关键在于连续-非连续的动态变化过程,工程尺度模拟对数值模型的建立和求解提出了更高的要求。因此,依托汕头湾海底隧道(海域矿山法隧道)工程背景,利用PD-FEM-FVM流固耦合计算方法,开展了应力-渗流耦合作用下工程尺度海底隧道开挖过程模拟,其模拟结果与COMSOL Multiphysics模拟结果吻合良好,验证了该方法模拟工程尺度岩体流固耦合问题的有效性,并且分析了海底隧道开挖对围岩位移场、渗流场、损伤状态的影响规律。同时,该方法的计算效率分别是纯PD方法、PD-FVM耦合方法的1.78倍和4.31倍,证明该方法在模拟工程尺度岩体流固耦合问题时的高效性,对于促进近场动力学在岩土工程领域的应用具有重要意义。(4)海底隧道建设环境复杂,弄清围岩稳定性的影响因素及影响规律,保隧道施工过程中的围岩稳定,对于隧道建设至关重要。因此,总结分析了海底隧道围岩稳定性影响因素:地质因素和人为因素。依托汕头湾海底隧道(海域矿山法隧道)工程实际,开展了多工况下的工程尺度海底隧道开挖过程模拟,通过对比分析不同影响因素条件下的隧道围岩开挖损伤区、位移场和渗流场分布特征,揭示了隧道埋深(地应力条件)、海水深度(地下水压力)、围岩弹性模量(物理力学性能)和施工工法等因素对海底隧道围岩稳定性的影响规律,为海底隧道围岩失稳预测和安全施工提供了科学依据。