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三维应力作用下砂岩单裂隙渗流规律试验研究

中国矿业 2011年第5期20卷 107-110页

作者：侯昭飞纪洪广王金安李伟北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 煤炭科学研究总院北京100013

使用劈裂方法在粗砂岩岩样上制造裂隙来模拟粗砂岩天然岩体的张性裂隙,在电液伺服岩石三轴试验机上开展单裂隙渗流应力耦合试验。在三维应力下,检测在不同围压、水压情况下,渗流量随时间的变化情况,对单裂隙岩体在三维应力作用下的渗流... 详细信息

使用劈裂方法在粗砂岩岩样上制造裂隙来模拟粗砂岩天然岩体的张性裂隙,在电液伺服岩石三轴试验机上开展单裂隙渗流应力耦合试验。在三维应力下,检测在不同围压、水压情况下,渗流量随时间的变化情况,对单裂隙岩体在三维应力作用下的渗流规律作了探究。

关键词：单裂隙岩体渗流试验渗流应力耦合

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渗流对土质边坡稳定性影响分析

武汉大学学报（工学版） 2010年第3期43卷 306-309页

作者：陈五一罗玉龙河海大学水利水电学院江苏南京210098

根据强度折减有限元法,采用Mohr-Coulomb屈服准则及关联流动法则,以收敛性准则结合特征点位移突变准则作为边坡失稳判据,研究了无渗流、渗流应力耦合及非耦合情况的土质边坡的稳定性.研究表明:1)渗流对边坡稳定性的影响十分明显,无渗流... 详细信息

根据强度折减有限元法,采用Mohr-Coulomb屈服准则及关联流动法则,以收敛性准则结合特征点位移突变准则作为边坡失稳判据,研究了无渗流、渗流应力耦合及非耦合情况的土质边坡的稳定性.研究表明:1)渗流对边坡稳定性的影响十分明显,无渗流及渗流应力耦合两种情况的均质边坡的最小安全系数分别为1.84、1.115;2)渗流应力耦合效应对边坡稳定的影响极其不利,应该采用耦合方法评价边坡的稳定性,耦合、非耦合情况的最小安全系数分别为1.115、1.28.

关键词：土质边坡强度折减有限元法抗滑稳定渗流应力耦合

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岩体水-岩耦合作用研究简述

工程勘察 2007年第11期35卷 35-39页

作者：伍美华柴军瑞李亚盟西安理工大学水利水电学院西安710048 西安市沣惠渠管理中心西安710048

系统阐述了水-岩耦合作用机理、理论研究及工程应用。水与岩体之间发生物理、化学和力学作用,使得岩体孔隙发生骤变,从而改变水的流态。介绍了水-岩耦合模型的建模方法即机理分析法、混合分析法和系统辨识方法。对裂隙岩体渗流计算的几... 详细信息

系统阐述了水-岩耦合作用机理、理论研究及工程应用。水与岩体之间发生物理、化学和力学作用,使得岩体孔隙发生骤变,从而改变水的流态。介绍了水-岩耦合模型的建模方法即机理分析法、混合分析法和系统辨识方法。对裂隙岩体渗流计算的几个典型模型进行了较详细的分析和比较,等效连续介质模型可应用成熟的孔隙型介质渗流分析方法,但不能反映裂隙的特殊导水性,并且还需满足一定条件;裂隙网络介质模型能较真实的反映裂隙实际渗流状态,但裂隙几何参数难以获得;多重介质渗流模型综合了等效连续介质和裂隙网络介质模型的优点,具有广阔的研究前景。简要介绍了水化学-应力耦合研究现状。对耦合模型数值计算方法即迭代耦合法和直接耦合法进行了分析。最后就水-岩耦合研究存在的一些问题及今后的发展方向提出自己的看法。

关键词：渗流应力耦合水化学-应力耦合等效连续介质裂隙网络多重介质

基于ABAQUS流固耦合作用下软岩隧洞的围岩稳定性分析

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基于ABAQUS流固耦合作用下软岩隧洞的围岩稳定性分析

作者：赵琨甘肃农业大学

学位级别：硕士

以甘肃历史上最大的水利工程—引洮工程一期供水总干渠7#隧洞为研究背景，针对隧洞围岩中渗流场和应力场，在充分考虑了岩体渗流状态的改变及岩石孔隙率、渗透率影响下，运用大型非线性有限元程序ABAQUS重点分析了隧洞在不同埋深条件下... 详细信息

以甘肃历史上最大的水利工程—引洮工程一期供水总干渠7#隧洞为研究背景，针对隧洞围岩中渗流场和应力场，在充分考虑了岩体渗流状态的改变及岩石孔隙率、渗透率影响下，运用大型非线性有限元程序ABAQUS重点分析了隧洞在不同埋深条件下，不同开挖距离，隧洞围岩的变形、孔隙压力、应力、应变、塑性区的分布特征及变化范围等。以加深对岩体围岩变形特征、强度特征和破坏情况的认识，为隧洞在选线布置、开挖及结构支护设计施工提供科学技术支持，增强隧洞灾害的预测预报和防灾减灾的应对能力，对保证工程安全、顺利正常施工和节省投资具有重大意义。主要有以下研究工作和成果结论：1、在综合分析引洮工程数十年积累的工程地质勘查资料和引洮工程7#隧洞补堪洞段隧洞围岩工程地质条件的基础上，对引洮工程区域尤其是7#隧洞所在工程区域的地质环境背景、地质构造、地形地貌、地层岩性和工程地质参数等基础地质资料进行了研究分析，得出适用模型分析计算的各项参数。2、分析了裂隙岩体的渗流特点，渗流应力耦合的方程，以及二者之间的耦合作用关系，总结了目前较为广泛采用的渗流应力耦合模型。在基于多孔介质裂隙岩体有效应力原理，围岩弹塑性应力耦合情况下，采用更新拉格朗日法建立岩土介质大变形渗流-应力耦合分析模型，岩体采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料，衬砌支护结构采用线弹性材料进行计算分析。3、对隧洞结构破坏的表现形式，力学特征，力学性能进行了总结分析，论述了隧洞围岩结构支护体系的作用，详细总结采用新奥法施工时初期支护中喷射砂浆砼、径向锚杆、钢拱架支撑、钢筋网等的作用机理。为7#隧洞在局部含水疏松砂岩地段采用钻爆法开挖，新奥法施工提供理论依据。4、运用大型非线性有限元程序ABAQUS，分别对7#隧洞在100m、150m、170m埋深条件下，开挖距离为10m、15m、20m、25m、30m等状态下，对隧洞围变形、孔隙压力、应力、应变、塑性区的分布特征及变化范围进行模拟分析，得出的围岩变形值与实际监测的基本一致，为以后的隧洞施工开挖提供技术参考。5、结合7#隧洞采用TBM工法在施工过程中遇到的主要地质问题软岩大变形，突（涌）水及其破坏影响，提出了具体的预防和处置措施，为TBM顺利快速通过软岩地段及类似工程问题提供了有效的方法和建议。6、总结了7#隧洞在含水疏松砂岩极其不良地质地段确定采用“隧洞内钻凿，布设水平孔、近水平孔冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的世界上最先进的冻结法施工方案，论述了其主要的施工顺序、冷冻施工的基本原则、主要的技术要点、冻胀和融沉控制的基本措施以及采用信息化施工监测等。

关键词：引洮工程隧洞结构稳定性渗流应力耦合支护结构弹塑性分析冻结法隧洞开挖

城市河底浅埋隧道围岩与衬砌力学性状的分析与探索

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城市河底浅埋隧道围岩与衬砌力学性状的分析与探索

作者：魏彦昭湖南科技大学

学位级别：硕士

城市河底隧道受河道宽度的限制,常要采用水下浅埋的形式以满足坡度设置的要求,这样就容易遭遇软弱围岩甚至是土质围岩。城市河底浅埋隧道的修建方法主要有矿山法、盾构法、沉管法等,采用不同修建方法的河底隧道的受力性状存在差别。目... 详细信息

城市河底隧道受河道宽度的限制,常要采用水下浅埋的形式以满足坡度设置的要求,这样就容易遭遇软弱围岩甚至是土质围岩。城市河底浅埋隧道的修建方法主要有矿山法、盾构法、沉管法等,采用不同修建方法的河底隧道的受力性状存在差别。目前我国采用矿山法成功建成的城市河底浅埋隧道还比较少,这类隧道还缺乏成熟的设计理念与施工技术,更缺乏系统的运营管理与维修养护技术;而且由于河水渗透与河水位变化的影响,致使这类隧道的受力性状非常复杂,需要逐步探索。目前,隧道上方的河水位变化可概化为保持低水位一段时间,保持高水位一段时间,然后又变为保持低水位一段时间……。河水位如此反复交替变化不仅会反复改变隧道的应力场,还会反复改变隧道的渗流场;而且在河水位的不变期内,围岩的应变还在变。本文针对城市河底浅埋矿山法隧道,以长沙市浏阳河公路隧道为工程背景,通过室内试验、数值模拟与现场观测等方法,研究探索了围岩与衬砌的力学性状。主要工作与成果如下:(1)对围岩试样进行了三轴压缩试验、单轴分级加载试验、单轴分别加载试验、单轴低频循环加卸载试验:获得了围岩的粘聚力与内摩擦角;将河水位的变化概化为反复加卸载,获得了河水位反复变化下围岩的变形特征;发现在河水位反复变化影响下,围岩的轴向应变在少数情况下存在“变化延迟”的现象。(2)建立了较为复杂的数值计算模型:根据室内试验结果拟合得到围岩应变随时间变化的本构模型,并将本构模型子程序嵌入到数值模型主程序中进行计算;数值模型还考虑渗流应力耦合、隧道施工期与服役期的衔接、服役期100年内河水位的反复变化。通过数值计算,获得了围岩与衬砌力学性状的变化特征。发现在隧道服役期内,河床竖向位移、二衬拱顶竖向位移都总体表现为“波动式下沉”,大约在隧道服役70年后,波动范围趋于稳定。(3)通过改变隧道设计参数进行多种工况的数值模拟对比分析,提出了相应的工程建议。发现河水最深处对应断面的双洞净距从1.5B减小至1B会明显恶化衬砌的受力性状,建议类似隧道在进行净距优化设计时要慎重考虑。(4)通过现场观测,验证了数值模拟结果的可参考性,统计分析了隧道的渗水特征及其原因;基于现场观测,结合河流水文学知识,提出了一个浏阳河隧道上方河水位的经验计算公式;探讨了现场观测遇到的8个问题,为类似河底隧道的现场观测提供借鉴。

关键词：河底隧道力学性状浅埋渗流应力耦合河水位变化

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缓倾斜采空场处理方案的数值模拟研究

缓倾斜采空场处理方案的数值模拟研究

作者：孔建武汉大学

学位级别：硕士

采空场(区)处理是我国普遍存在的采矿技术难题，开展空场处理研究，发展经济合理、技术可行、简便适用的空场处理方法，即迫在眉睫，又具有重大的社会、经济意义和学术研究价值。本文根据木架山的具体条件，提出了应用切顶与矿柱崩落联... 详细信息

采空场(区)处理是我国普遍存在的采矿技术难题，开展空场处理研究，发展经济合理、技术可行、简便适用的空场处理方法，即迫在眉睫，又具有重大的社会、经济意义和学术研究价值。本文根据木架山的具体条件，提出了应用切顶与矿柱崩落联合法进行木架山采空场处理。主要研究工作和结论如下： (1) 根据综述和理论分析，提出了切顶与矿柱崩落法，该方法的要点是：利用天然断层等大型弱面或爆破切断顶板，并崩倒悬臂极限跨度内的矿柱，或者直接崩倒顶板极限跨度内的矿柱，使顶板自然冒落。 (2) 开展了室内岩石力学参数试验，提出了数值模拟研究所需要的岩体力学参数;(3) 应用三维ANSYS有限元程序研究了顶板极限跨度、悬臂状态下的顶板极限跨度和切顶深度。研究表明，应用102m的极限跨度(南部取102m，北部不稳定顶板极限跨度取66m)，76.5m的悬臂极限跨度和8～11m的切顶垂直深度，可以确保白云岩顶板自然塌落： (4) 应用三维ANSYS有限元程序研究了切顶与矿柱崩落前后顶板的应力分布状态和岩体移动情况。研究表明，采空场(区)处理可以确保顶板在短期内自然冒落，从而消除顶板冲击地压隐患，并成功堵塞非法开采通道，地表岩体移动量不明显，不会影响后续矿体的安全开采;(5) 采用EPSCA3D水力耦合有限元程序研究了考虑双场耦合条件下切顶与矿柱崩落前后顶板的应力分布状态和岩体移动情况。研究表明：采空场(区)处理可确保顶板在短期内自然冒落;考虑地下水作用时，采空场(区)处理之后的顶板岩体移动量将会减少，采空场(区)处理不会影响后续矿体的安全开采。 (6) 通过EPSCA3D水力耦合有限元程序分析表明：采空场地下渗流对空场处理的影响，与岩体的渗透性以及矿体赋存的地质环境(如隔水层的位置与倾角等)有关。地下水在空区深部表现为一种压力，而对地下水位上部岩体表现为一种浮力，而且可能还会使采空场处理后围岩岩体发生了松散、软化等复杂变化。本文从解决工程实际问题出发，为木架山采空场处理的工程实践提供了一套科学的实施方案和技术参数，对采空场处理前后的围岩稳定性作了科学评价。同时，在采空场处理研究领域，首次运用渗流应力耦合理论分析了地下渗流对采空场处理的影响，为深入开展采空场处理研究发挥了重要作用。

关键词：采空场处理切顶矿柱崩落有限元分析渗流应力耦合

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高边坡在降雨条件下的稳定性分析

高边坡在降雨条件下的稳定性分析

作者：田仕明昆明理工大学

学位级别：硕士

边坡的稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容之一。近年来,边坡的变形失稳问题一直备受岩土工作者的关注。随着我国西部大开发战略的实施,有大批的水利工程、铁路、公路及城市等基础设施工程将不断涌现,这些工程中有许多边坡工程... 详细信息

边坡的稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容之一。近年来,边坡的变形失稳问题一直备受岩土工作者的关注。随着我国西部大开发战略的实施,有大批的水利工程、铁路、公路及城市等基础设施工程将不断涌现,这些工程中有许多边坡工程。因此研究边坡稳定性对整个国民经济的发展具有十分重要的意义。根据有关资料统计,我国边坡的失稳问题大多数与降雨有关,特别是在暴雨过后,往往出现大量的滑坡、崩塌等边坡失稳问题,造成极其惨重的损失。本文主要研究强降雨入渗条件下高边坡的稳定性,根据工程地质条件及岩土的物理力学参数建立边坡数值分析的模型,运用ABAQUS软件分别就两种降雨工况下的边坡稳定性进行数值模拟,分析边坡的孔隙水压力场、位移场、应力场和塑性区的变化规律,再结合工程经验对边坡稳定性进行综合评判。本论文的主要研究内容有： (1)介绍影响边坡稳定性的主要因素以及滑坡的机理,提出了采用有限单元法解决边坡稳定性问题。 (2)介绍了非饱和渗流理论、边坡降雨入渗模型及岩土材料的弹塑性本构模型。阐述了渗流应力耦合理论及基本方程,介绍了ABAQUS软件模拟渗流应力耦合问题的方法与步骤。 (3)采用ABAQUS渗流应力耦合分析步,分两种工况分别研究边坡的孔隙压力场、饱和度分布规律、应力场、塑性区分布以及位移场,从而分析判断边坡的稳定性。

关键词：边坡稳定降雨本构模型渗流应力耦合 ABAQUS

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基于UDEC分析平台的裂隙岩体渗流分析

基于UDEC分析平台的裂隙岩体渗流分析

作者：潘力辽宁科技大学

学位级别：硕士

随着我国经济的高速发展,露天矿的开采量日益增加。开采规模及深度的增加使得分析露天矿边坡的稳定性变得越来越复杂。裂隙岩体的水力特性及渗流-应力耦合一直是岩土工程界所关注的重点问题。由于岩体中裂隙的存在,降低了岩体自身的强度... 详细信息

随着我国经济的高速发展,露天矿的开采量日益增加。开采规模及深度的增加使得分析露天矿边坡的稳定性变得越来越复杂。裂隙岩体的水力特性及渗流-应力耦合一直是岩土工程界所关注的重点问题。由于岩体中裂隙的存在,降低了岩体自身的强度,在渗流作用下加剧了裂隙的扩展与贯通,加快了裂隙岩体边坡的失稳与破坏。由于工程开挖,改变了岩体内的应力分布,促使岩体发生变形破坏,变形破坏又导致裂隙中渗流场的改变,渗流场的变化反过来又进一步影响岩体的应力场,从而体现了应力场与渗流场之间的耦合关系。裂隙岩体应力场与渗流场的耦合作用直接影响和决定了露天矿边坡工程的稳定性、安全性及经济性。本文首先阐述了裂隙岩体渗流的基本特征,介绍了裂隙岩体渗流-应力耦合的研究现状及基本理论。其次分析了边坡稳定性的影响因素及影响程度,重点研究了裂隙节理的特性对边坡的影响作用。其次以鞍千矿业许东沟采场二期东帮边坡为研究背景,详细地调查了矿区地质环境,然后借助三维岩体不接触测量系统并应用节理聚类分析方法对结构面进行分析,得到边坡结构面的分布情况。之后对边坡岩体进行试验,得到岩体的强度指标,并为数值模拟分析的参数选取提供依据。通过离散元软件UDEC建立采场的简化模型,充分利用软件自身优越的细化节理及裂隙的功能,考虑了实际工程中节理的贯通情况和裂隙填充物对结构面强度的折减作用,重点通过位移场、渗流场、应力场等方面分析在渗流耦合作用下裂隙的分布情况,渗流对边坡稳定性的影响程度及边坡内部的变形规律及破坏机理。此外,对比研究耦合与非耦合算法对边坡产生的不同影响。

关键词：露天矿边坡裂隙岩体渗流应力耦合 UDEC 边坡稳定性

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交叉裂隙岩样渗透特性试验研究

交叉裂隙岩样渗透特性试验研究

作者：王聪超石家庄铁道大学

学位级别：硕士

本文以灰岩为研究对象,主要对交叉裂隙岩样和充填砂裂隙岩样进行了围压、轴压、渗透水压力、裂隙结构面粗糙度、裂隙面积及隙宽、充填砂粒径、充填砂厚度等因素对渗透系数的影响的三轴渗流试验研究。主要研究工作内容及成果有:(1)对灰... 详细信息

本文以灰岩为研究对象,主要对交叉裂隙岩样和充填砂裂隙岩样进行了围压、轴压、渗透水压力、裂隙结构面粗糙度、裂隙面积及隙宽、充填砂粒径、充填砂厚度等因素对渗透系数的影响的三轴渗流试验研究。主要研究工作内容及成果有:(1)对灰岩岩样进行劈裂后,对裂隙面进行图像处理,使用MATLAB软件对裂隙图片进行处理,导入相关编程根据比例关系求得裂隙面积及隙宽,将图形处理应用于裂隙隙宽测量中,使裂隙隙宽和裂隙面积的测定更加准确。(2)对交叉裂隙岩样,轴压固定,进水端面水压恒定下,垂直交叉和多裂隙交叉岩样渗透系数随围压增大呈对数递减关系;围压固定,进水端水压恒定,垂直交叉裂隙渗透系数随轴压增大呈指数递减关系,而交叉多裂隙渗透系数随轴压增大呈线性递减关系;轴压、围压都固定时,渗透系数与渗透水压呈一次线性递增的关系。(3)对充填砂单裂隙岩样,轴压保持稳定,进水端水压恒定情况下,渗透系数随围压的增大而减小;围压恒定,进水端水压恒定条件下,渗透系数随轴压的增大而减小;同等隙宽条件下,充填砂粒径越小则充填裂隙岩样的渗透系数对应的越小,反之越大;充填砂厚度对单裂隙岩体的渗透系数影响显著,同轴压和围压条件下,充填厚度越大,充填砂单裂隙岩体渗透系数越大。(4)垂直交叉裂隙岩样的渗透系数与裂隙面积呈立方或超立方关系,粗糙度系数值小于13时渗透系数与裂隙面积呈三次函数关系,粗糙度系数值大于13时渗透系数与裂隙面积呈四次函数关系。(5)对垂直交叉裂隙岩样渗流试验,通过数据分析,并利用最小二乘拟合的方法,拟合出渗透系数与轴压围压的函数关系式,渗透系数与JRC、裂隙面积的函数关系式。(6)充填砂单裂隙岩样的渗透系数随裂隙面积的增大而增大,二者呈二次函数关系。

关键词：交叉裂隙充填裂隙渗流应力耦合裂隙面积渗透系数三轴试验