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工程岩体应力—渗流耦合的PD-FEM-FVM模拟分析方法及应用

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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：张道生山东大学

学位级别：硕士

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、... 详细信息

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。

关键词：工程岩体流固耦合 PD-FEM-FVM耦合数值模拟围岩稳定性

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工程岩体裂隙渗透性试验方法研究及应用

岩土力学 2009年第9期30卷 2599-2604页

作者：丁立丰郭啟良王成虎中国地震局地壳应力研究所北京100085

现代水电、交通、矿山、能源及核废料处理等地下工程中,洞室岩体原地承载能力以及在工程运行状态下洞室围岩的实际透水性状等岩体力学参数,是地质勘测不可缺少的基础资料,也是科学地优化工程设计的依据。由于传统的裂隙渗透性测试技术... 详细信息

现代水电、交通、矿山、能源及核废料处理等地下工程中,洞室岩体原地承载能力以及在工程运行状态下洞室围岩的实际透水性状等岩体力学参数,是地质勘测不可缺少的基础资料,也是科学地优化工程设计的依据。由于传统的裂隙渗透性测试技术与方法如常规压水试验已不能满足工程建设发展的需要,达不到有些复杂工程对岩体渗透性的特殊设计要求,因此,有必要进行多种形式的工程岩体裂隙渗透特性分析和研究,从而针对特定工程,选择合适的试验方法,探明其确切渗透规律,以保证工程设计的准确性和有效性。

关键词：工程岩体裂隙渗透性试验方法

五阳煤矿深部大巷工程岩体级别分析与支护方案设计

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煤炭工程 2023年第8期55卷 12-16页

作者：张宇中煤科工集团北京华宇工程有限公司北京100120

针对五阳煤矿750 m采深开拓大巷施工过程中出现的严重变形现象,为了增强巷道整体稳定性,提高井下深部大巷施工质量,保证矿井安全生产,通过对矿井深部地应力和地下工程岩体分级分析,参照类似条件矿井支护,确定井下大巷的初始支护设计,考... 详细信息

针对五阳煤矿750 m采深开拓大巷施工过程中出现的严重变形现象,为了增强巷道整体稳定性,提高井下深部大巷施工质量,保证矿井安全生产,通过对矿井深部地应力和地下工程岩体分级分析,参照类似条件矿井支护,确定井下大巷的初始支护设计,考虑到受高地应力及利用钻孔治理瓦斯影响,结合支护效果,利用紧固关键承载圈的理论,提出采用锚网索喷和注浆锚索联合支护的优化设计。结果表明:地下工程岩体分级指数,可作为井下工程选择适合层位的重要参考;依靠深部岩体自稳能力和采用注浆锚索支护巷道关键承载圈作为塑性支撑,能够保证巷道支护要求,取得良好的支护效果。

关键词：潞安矿区工程岩体地应力支护参数地下工程

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隧道工程岩体完整性新的评价参数及方法

铁道工程学报 2017年第2期34卷 43-46,86页

作者：化希瑞刘铁刘剑中南大学长沙410083 中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063

研究目的:隧道围岩分级是隧道勘察设计中的重要参数,以往工作中主要通过地质调查法、钻探法、物探方法定性判识隧道岩体完整程度,物探法主要以弹性波速度作为岩体完整性评价的参数,但针对深埋隧道,由于埋深大,难以直接从地表获得隧道洞... 详细信息

研究目的:隧道围岩分级是隧道勘察设计中的重要参数,以往工作中主要通过地质调查法、钻探法、物探方法定性判识隧道岩体完整程度,物探法主要以弹性波速度作为岩体完整性评价的参数,但针对深埋隧道,由于埋深大,难以直接从地表获得隧道洞身岩体的波速值,使得围岩等级的划分缺少依据。本文建立层状岩体模型,通过研究分析岩体几何参数与电性参数的相关关系,拟提出一种新的围岩完整性评价参数及方法。研究结论:(1)基于层状岩体模型电阻率计算公式,推导出岩体几何参数与电性参数的相关关系,提出了一种新的表征岩体完整性的参数——岩体完整性系数Kr;(2)Kr表征完整岩石在单位岩体中所占的比例,Kr值越大,岩体越完整;(3)通过钻孔综合测井试验,论证Kr可以作为评价岩体完整程度的量化指标,初步统计得出Kr与岩体完整程度量化关系表;(4)Kr评价岩体完整性方法可用于铁路隧道勘察设计阶段,也可用于其他地下工程勘察设计阶段。

关键词：隧道工程岩体岩体完整性电阻率

一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法及其应用

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岩石力学与工程学报 2018年第5期37卷 1126-1133页

作者：邬爱清韩晓玉尹健民刘元坤长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010

综合论述水压致裂地应力测量理论和技术的发展过程,讨论基于推拉阀控制的单管加压系统或由外置式高压软管与钻杆组成的传统双管加压测试的水压致裂技术及适用条件。针对滇中引水工程勘察阶段大量采用绳索取芯钻探技术进行复杂地质条件... 详细信息

综合论述水压致裂地应力测量理论和技术的发展过程,讨论基于推拉阀控制的单管加压系统或由外置式高压软管与钻杆组成的传统双管加压测试的水压致裂技术及适用条件。针对滇中引水工程勘察阶段大量采用绳索取芯钻探技术进行复杂地质条件地质勘探的实际情况,以绳索取芯钻杆条件的岩体地应力测试为研究对象,研究一种新型绳索取芯钻杆内置,并分段固定式双管水压致裂地应力测试方法,研发相应试验测试装置,对测试过程控制以及相应管道压力损失估算等进行研究和讨论。利用该项技术成功进行5个测孔56个测段的地应力测试,最大测试深度为724 m。该测试方法解决了传统水压致裂地应力测量方法不能直接应用绳索取芯钻杆的难题,对复杂条件下的工程岩体地应力测试问题提供了一种新的测试技术手段。

关键词：岩石力学工程岩体地应力测量水压致裂绳索取芯钻杆双压力管测试滇中引水工程

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国标《工程岩体分级标准》的应用与进展

岩石力学与工程学报 2012年第8期31卷 1513-1523页

作者：邬爱清柳赋铮长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010

依据已发表的与《工程岩体分级标准》(GB50218—94)(简称《国标》)相关的各类文献成果的整理与分析,对《国标》执行以来的工程应用实践效果、《国标》与RMR,Q系统及HC法等分级方法的相关性、在行业标准制订上的推动作用、以及基于《国... 详细信息

依据已发表的与《工程岩体分级标准》(GB50218—94)(简称《国标》)相关的各类文献成果的整理与分析,对《国标》执行以来的工程应用实践效果、《国标》与RMR,Q系统及HC法等分级方法的相关性、在行业标准制订上的推动作用、以及基于《国标》的研究方法进展及相关完善建议等进行总结和综述。基于多个工程200余组实测数据的统计分析,给出《国标》BQ值与RMR分值间的综合统计回归公式,对《国标》BQ法与RMR法级别划分的对应性进行验证。研究表明,该分级方法体系严谨,具有很强的科学性和可操作性。利用岩体基本质量指标BQ,减少分级的主观性,提高分级的精度,降低工作难度,方便不同设计阶段的工程应用。另一方面,在已有实践基础上,有必要对该分级方法作进一步的修订和完善。

关键词：岩石力学工程岩体岩体分级国标应用效果 BQ法与RMR法相关性进展综述

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基于信息粒化在工程施工质量评判中的研究

基于信息粒化在工程施工质量评判中的研究

作者：刘谦河北大学

学位级别：硕士

信息粒化是一种将复杂问题简单化,将抽象问题具体化的思维方法.形式概念分析、三支决策、粒计算是当今知识发现与信息提取领域中的三个重要的信息粒化方法.在工程施工的质量评判中有十分重要的两大类,一类对工程复合材料质量评判;另一... 详细信息

信息粒化是一种将复杂问题简单化,将抽象问题具体化的思维方法.形式概念分析、三支决策、粒计算是当今知识发现与信息提取领域中的三个重要的信息粒化方法.在工程施工的质量评判中有十分重要的两大类,一类对工程复合材料质量评判;另一类对天然岩体质量评判.由于水泥混凝土是当代最主要的工程复合材料之一,地下工程岩体是当代桥梁、隧道等地下工程中重点研究的天然岩体之一,所以两者在现代建筑当中都扮演着十分重要的角色.而检验两者质量水平是否符合相应的工程标准,起到了决定产品是否能够投入市场,是否能在工程施工中运用的重要作用.目前在工程施工的质量评判上,为提高评判效率,降低因材料质量问题而带来的非必要成本,多采用新型材料替代或使用添加剂的方法.而在后续试验数据上,多采用统计对比、建立特殊模型等方法,当试验数量增加、试样样本质量指标过多时,存在一定的局限性.本文通过信息粒化的方法,对工程施工中的水泥混凝土和地下岩体进行质量评判.本文主要研究内容如下:(1)通过概念格信息粒化的方法,以某水泥胶砂强度试验(ISO法)后期数据为例,对水泥试样进行质量评判.并给出了计算水泥抗压强度的算法、判断水泥试样在抗压强度上是否满足行业标准的算法,以及分析不合格试样的具体不合格指标的算法.最后,通过实例,证明了该方法的科学性和可行性.(2)利用三支决策的方法对地下工程岩体稳定性进行质量评判.首先利用模糊相对比较决策对地下工程岩体进行总体排序,并提出算法;其次通过贝叶斯决策规则做出期望损失最小的决策;然后用三支决策对地下工程岩体质量评判,得到分级结果;最后将该模型运用到实际工程中,验证该评判模型的科学性和可行性.(3)用多粒度计算的方法对地下工程岩体进行质量评判.首先,对多粒度形式背景的粒度树上的属性块进行组合;其次,根据多粒度剪枝类属性块,生成广义介粒度剪枝形式背景.最后,给出计算工程岩体的广义介粒度剪枝形式背景权重的定义.为后续工作中计算地下工程岩体各项指标的权重打下基础.

关键词：信息粒化概念格三支决策粒计算混凝土工程岩体质量评判

基于随机-关联空间插值法的工程岩体力学参数确定

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长江科学院院报 2019年第8期36卷 90-96页

作者：胡启军俞钧耀刘明汤伟蔡其杰西南石油大学土木工程与建筑学院成都610500 泸州市泸县住建局四川泸州646000 西南交通大学交通运输与物流学院成都610031

岩体力学参数在空间上存在的结构关联性和随机不确定性是影响工程岩体力学参数设计取值的客观因素之一。基于地质统计学理论,提出随机-关联空间插值法,在工程岩体力学参数概率分布未知的情况下,利用样本矩替换母体矩,描述工程岩体力学... 详细信息

岩体力学参数在空间上存在的结构关联性和随机不确定性是影响工程岩体力学参数设计取值的客观因素之一。基于地质统计学理论,提出随机-关联空间插值法,在工程岩体力学参数概率分布未知的情况下,利用样本矩替换母体矩,描述工程岩体力学参数的随机性,利用变差函数描述样本点之间、样本点和插值点之间的工程岩体力学参数关联性,建立岩体力学参数的空间分布模型,并通过克里格法对场地中的工程岩体力学参数进行空间插值。结合工程实例,在力学参数概率分布未知的情况下建立其概率分布模型;选择不同数量的有效样本对比分析该方法本身对样本数量的依赖性问题;探讨该方法的应用范围以及针对其他情况提出的相应措施,为后续研究打下基础。与试验结果对比,工程实际中3种不同样本的岩体力学参数指标相对误差分别为4.2,4.4,5.3,估值结果可作为工程设计取值的参考依据。

关键词：工程岩体力学参数随机-关联空间插值法概率分布模型变差函数地质统计学

工程岩体抗剪强度确定综合方法——GMEM研究

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岩石力学与工程学报 2005年第2期24卷 246-251页

作者：武雄贾志欣陈祖煜汪小刚杨健中国地质大学中国水利水电科学研究院北京100044 中国水利水电科学研究院

工程岩体的强度由于受到岩性、节理、地下水、温度场等的影响导致其强度的确定成为岩石力学界的一个重大难题。工程岩体具有地质、力学和工程 3 大特色,其强度的确定也应综合考虑这 3 种因素。在此基础上,提出利用经验类比、岩体质量评... 详细信息

工程岩体的强度由于受到岩性、节理、地下水、温度场等的影响导致其强度的确定成为岩石力学界的一个重大难题。工程岩体具有地质、力学和工程 3 大特色,其强度的确定也应综合考虑这 3 种因素。在此基础上,提出利用经验类比、岩体质量评分体系和连通率的方法结合宏观地质条件判断结果综合确定工程岩体强度的方法——GMEM(geology,mechanics and engineering method)。运用该方法在向家坝等许多工程中得到很好的应用。

关键词：岩石力学工程岩体强度 GMEM