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渗流—应力耦合和降雨入渗作用下的边坡稳定性分析及加固措施

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渗流—应力耦合和降雨入渗作用下的边坡稳定性分析及加固措施

作者：蔡亚飞南华大学

学位级别：硕士

边坡稳定性分析是基础建设中一个重要的课题。地下水和降雨入渗的作用是影响边坡稳定性的重要因素,两者在坡体内的作用方式呈现渗流—应力耦合的复杂状态。本文基于强度折减法和渗流—应力耦合理论,运用有限元分析软件ABAQUS,通过分析... 详细信息

边坡稳定性分析是基础建设中一个重要的课题。地下水和降雨入渗的作用是影响边坡稳定性的重要因素,两者在坡体内的作用方式呈现渗流—应力耦合的复杂状态。本文基于强度折减法和渗流—应力耦合理论,运用有限元分析软件ABAQUS,通过分析不同边坡模型的渗流场、应力场、位移场和安全系数,探究了无地下水、渗流—应力耦合、渗流—应力耦合和降雨入渗共同作用三种工况下的边坡稳定性,在此基础上得出了不同材料参数、渗流条件和降雨条件对边坡稳定性的影响规律,最后对抗滑桩加固边坡的效果进行了分析。本文主要研究内容和成果如下:(1)介绍了边坡稳定性分析方法及强度折减法和渗流—应力耦合理论,建立了渗流—应力耦合的数学模型,阐述了强度折减法和渗流—应力耦合在ABAQUS中的实现过程。(2)基于强度折减法和渗流—应力耦合理论,分析了无地下水、渗流—应力耦合、渗流—应力耦合和降雨入渗共同作用三种工况的边坡稳定性,三种工况下的边坡安全系数分别为1.908、1.755和1.641。对比三种工况的安全系数可知,地下水的存在会显著降低边坡安全系数,而降雨入渗会使边坡的饱和度增加,坡体内流速和位移均增大,浸润面位置明显抬升。可见地下水和降雨入渗作用会对边坡稳定性造成较大的不利影响。(3)以渗流—应力耦合工况下的边坡模型为基础,分析材料参数和渗流条件对边坡稳定性的影响规律。结果表明:随着粘聚力和内摩擦角的增大,边坡的安全系数近乎呈现线性增大的趋势;而弹性模量和泊松比对边坡安全系数的大小影响很小,但会显著影响边坡的变形特征;水头高度的增加会使坡体内的浸润面位置升高,饱和区域增加,渗流速度增大,边坡安全系数减小;不同的渗透系数(各向同性)对应的浸润面高度基本相同,边坡安全系数均在1.755左右。(4)以渗流—应力耦合和降雨入渗共同作用工况下的边坡模型为基础,分析不同降雨条件对边坡稳定性的影响规律。结果表明:随着降雨时间的增加,边坡的浸润面逐渐抬升,渗流速度逐渐增大,安全系数减小,且降雨初期的减小幅度较大;而降雨强度的增大使得坡体内渗流速度和位移逐渐增大,安全系数减小。可见降雨时间和强度的增大会对边坡稳定性造成不利影响。(5)以无地下水工况下的边坡模型为基础进行三维抗滑桩加固边坡的效果分析。对比抗滑桩加固前后的边坡可知,加固后的边坡并未形成整体的滑动面,桩后土体的位移和塑性区大幅减小,边坡的安全系数大幅增加。由此可见,抗滑桩加固边坡的效果十分明显,可以应用到工程实践中。本文在分析不同情况下的边坡稳定性时,考虑了渗流场和应力场相互耦合的作用,得出不同因素对边坡稳定的影响规律,并分析了三维抗滑桩加固边坡的效果,所得结论对地下水位较高和降雨充沛地区的边坡失稳预防及加固等工程实践活动具有一定的参考意义和应用价值。

关键词：边坡稳定性强度折减法渗流—应力耦合降雨入渗抗滑桩

页岩气藏水力压裂SRV区域渗流—应力耦合模型研究

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页岩气藏水力压裂SRV区域渗流—应力耦合模型研究

作者：刘奕辰西南石油大学

学位级别：硕士

页岩气的勘探与开发关系到国家的能源安全,具有十分重要的战略意义。水力压裂是页岩气开采的主要技术,水力压裂所造成的储层改造体积SRV(Stimulated Reservoir Volume)的大小和改造效果是页岩气水力压裂技术开发中的核心科学问题之一。... 详细信息

页岩气的勘探与开发关系到国家的能源安全,具有十分重要的战略意义。水力压裂是页岩气开采的主要技术,水力压裂所造成的储层改造体积SRV(Stimulated Reservoir Volume)的大小和改造效果是页岩气水力压裂技术开发中的核心科学问题之一。本文在大量文献调研的基础上,通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,研究了微裂缝对页岩渗透率的影响,建立了 SRV区域双重介质渗流-应力耦合数学力学模型,通过数值模拟揭示了页岩储层开发过程中的渗流-应力耦合效应。本文的主要结论如下:(1)开展了完整岩样和含微裂缝岩样的流固耦合渗流实验,得到了渗透率随围压、孔隙压力的变化规律。实验结果发现:裂缝岩样的渗透率比完整岩样大出5个数量级。渗透率随有效压力的升高而降低,且降低速率逐渐减小。(2)通过对页岩渗透率影响因素的响应面法分析发现,页岩渗透率对围压的敏感程度要大于孔隙压力。利用Terzaghi有效应力公式分析渗透率与有效应力间的关系时,渗透率的大小被低估。完整岩样的应力敏感性为极强,裂缝岩样的应力敏感性为强。(3)基于修正的火柴杆模型,根据Carman-Kozeney方程,建立了单轴应变条件下,SRV区域孔隙度、各向异性渗透率随有效应力变化的数学表达式,结合渗流场、应力场的控制方程,建立了页岩储层渗流—应力耦合方程组。(4)根据现场实际生产资料和室内实验数据,对SRV区域的渗透率模型进行了拟合,拟合程度较好。将该模型与经典的S-D模型进行对比,发现在有效应力较小时,本文模型适用性更好。(5)利用COMSOL数值模拟软件,模拟了页岩气开采过程中单井压力衰减过程。模拟结果显示:考虑耦合作用的数值模拟更接近现场实际状况;页岩开采初期,裂缝性储层的压力下降迅速;之后,压力梯度和产气速率逐渐降低;主裂缝决定了压裂过程中SRV区域的扩展方向,且SRV区域大小随着裂缝条数、次级裂缝与主裂缝间角度的增加而增加,角度越小时,次级裂缝与主裂缝之间夹角较小的一侧储层压力下降的幅度越大且下降速度越快;随着裂缝角度的增加,次级裂缝两边储层压力的下降情况趋于对称。对于随机展布的裂缝,相交条数和相交点数越多,储层压力下降的范围也越大。

关键词：页岩储层 SRV 渗透率模型渗流—应力耦合数值模拟

渗流—应力耦合作用下临库竖井开挖稳定性分析

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渗流—应力耦合作用下临库竖井开挖稳定性分析

作者：曾祥茜兰州交通大学

学位级别：硕士

随着经济社会的发展,国内外有关涉及岩土体开挖的工程越来越多,由于其工程环境相对复杂多样,这就要求对此类工程的设计、施工、安全性评价和稳定性分析等要更加重视。当前城市用水量越来越大,其中引输水工程是解决城市用水供需矛盾的有... 详细信息

随着经济社会的发展,国内外有关涉及岩土体开挖的工程越来越多,由于其工程环境相对复杂多样,这就要求对此类工程的设计、施工、安全性评价和稳定性分析等要更加重视。当前城市用水量越来越大,其中引输水工程是解决城市用水供需矛盾的有力措施,而相临水库的竖井式地下泵站的建设成为一种新的泵站形式,也是引水工程中获取深层优质水源的必要手段。临库竖井开挖工程是建立地下泵站的基础,其场区施工条件复杂,水库渗流水十分丰富。由于开挖过程中力学扰动的影响,渗流场、应力场复杂多变,对竖井开挖的稳定性有直接的影响。本文以临夏州引黄济临工程为背景,取其一级泵站临库竖井为研究对象,通过理论分析、数值模拟、实测数据分析对比,研究分析临库竖井施工过程渗流—应力耦合作用下,渗流场、应力场的分布对竖井稳定性影响,总结竖井土体开挖变形规律。主要研究内容及成果如下:(1)基于FLAC3D软件对临库竖井施工过程建立计算模型,模拟了在各开挖工况下其渗流场、应力场的变化,渗流速度和渗流量均随着开挖工况的增加而增大,在渗水现象较严重的工况应及时合理疏导排水,竖井的渗流场和应力场均呈U型分布;(2)分析了竖井在各开挖工况下井口、井壁土体水平变形规律,井口土体的变形随开挖深度的增加先增大后减小,井口最大水平变形10.40mm;井壁土体各点的变形均随着开挖深度的增加而增大,井壁最大水平变形12.33mm。并得到竖井深度05m的井壁土体变形较大、15m9m井壁变形较小,应对前15m井壁区段加强对土体支护;(3)对竖井支护结构的力学特性以及三种支护方案进行了分析,支护结构均有效地发挥了其支护作用,减少了竖井向临空面的变形,且其支护结构的受力极值均符合规范标准,验证了参数设置的合理性,方案一是三种方案中支护效果较好且最经济的支护方案;(4)根据现场施工过程对井口土体的变形实际监测结果,推算了井口土体变形与开挖深度的关系,并拟合了其关系曲线,对比了监测数据的模拟值和实测值,实测值结果比模拟值稍大,但二者的整体变化趋势大致相同,能较好地反映岩土体在开挖过程中井口土体变形的变化规律。

关键词：临库竖井数值模拟渗流—应力耦合稳定性支护对比分析

基于渗流-应力耦合的采动影响下堆积层滑坡变形研究

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基于渗流-应力耦合的采动影响下堆积层滑坡变形研究

作者：樊辉太原理工大学

学位级别：硕士

采动滑坡是滑坡的一种,在我国发生十分频繁,而堆积层滑坡在滑坡灾害中占有很大比例,其形成多与降雨、地下水运动、地震等有关。为了分析由地下采动引起的堆积层滑坡的致灾机理,本文通过对研究区堆积层滑坡进行资料收集、勘查,对地下采... 详细信息

采动滑坡是滑坡的一种,在我国发生十分频繁,而堆积层滑坡在滑坡灾害中占有很大比例,其形成多与降雨、地下水运动、地震等有关。为了分析由地下采动引起的堆积层滑坡的致灾机理,本文通过对研究区堆积层滑坡进行资料收集、勘查,对地下采动、降雨因素诱发的堆积层滑坡进行影响因素分析、形成机制分析。结合研究区堆积层实测的变形资料,采用MIDAS/GTS有限元数值模拟软件构建出分阶段开采的地下采动模型,分别进行不考虑渗流条件、渗流—应力耦合条件、降雨条件的地下开采模拟,研究地下采动、渗流及降雨因素三者共同作用下的堆积层滑坡致灾机理。结果表明:(1)研究区堆积层滑坡形成是众多因素共同作用的结果,可以分为自然因素与人为因素,自然因素主要有坡体几何形态、岩土体物理力学性质、坡体地质结构、水文地质条件等;人为因素主要是人类工程活动,包括采动影响、建筑荷载,其中采动影响对整个斜坡应力场影响最大。(2)3煤开采对堆积层变形影响较小,2018年开始开采后总位移迅速增大,其中水平位移最小,垂向位移最大,一级平台垂向位移大于二级平台,且同一平台上垂向位移呈现出中间大两边小的沉降特点,这种位移特点与调查的变形裂缝位移特征吻合。3煤开采后,堆积层上原始的压应力减小,2016年15煤开始开采后,堆积层坡面上呈现出由压应力到拉应力的过渡特征,到2018年开采后,堆积层变形增大,下部堆积体被基岩牵引受拉下滑,上部堆积体受采动影响向下部产生推力,表现为受压,但是该推力受地形影响很大,在平台上被削弱,因此一级平台与二级平台交界处发育一拉张裂缝,一级平台到二级平台的坡面下部鼓胀变形,但是并未完全失稳。(3)渗流—应力耦合的情况下,堆积层表面应力、位移变化均比忽略渗流场作用下的结论有所增大,但是变化趋势相同,因此,堆积层滑坡形成的最主要原因还是地下采动因素,根据现场测量的地表裂缝变形特点,渗流—应力耦合下更接近实际。(4)降雨入渗后,由于坡脚处是三处泉水的发育位置,降雨后堆积层流入的水量除了本身接受的降雨,还包括来自后方山体表面、内部的补给,坡脚位置先形成暂态饱和区,聚集的水将会沿着堆积层与基岩的接触面下渗,对堆积层整体的稳定性有很大不利影响。(5)根据斜坡位移特征,将变形区划分为三个区域:塌陷区、弯曲—沉陷区和拉裂变形区,研究区堆积层滑坡形成机制可以分为:覆岩结构变形阶段、堆积体变形阶段、降雨诱发阶段,在这三个阶段中,地下水及降雨都是不可忽略的关键因素。(6)目前,地表变形控制常用的开采手段有充填开采、部分开采、协调开采,以及离层注浆等,可以预防采空区堆积层滑坡的形成,而采空区堆积层滑坡的治理要在采空区变形趋于稳定后再进行,研究区可以采用排水工程、支挡工程、土体加固等措施。

关键词：堆积层滑坡采空区渗流—应力耦合降雨入渗致灾机理

考虑渗流—应力耦合的黏土心墙坝边坡稳定分析

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广东水利水电 2021年第5期 6-11页

作者：黄香崔志瑞郭莹莹李颖三峡金沙江云川水电开发有限公司云南昆明650224 华北水利水电大学河南郑州450046

黏土心墙坝是当今水利工程中应用最广泛的坝型之一,其渗流场与应力场往往是相互影响、相互作用的。然而,目前考虑渗流—应力耦合的黏土心墙坝边坡稳定的研究则相对较少,而且考虑渗流—应力耦合时,基于邓肯—张模型的边坡稳定有限元强度... 详细信息

黏土心墙坝是当今水利工程中应用最广泛的坝型之一,其渗流场与应力场往往是相互影响、相互作用的。然而,目前考虑渗流—应力耦合的黏土心墙坝边坡稳定的研究则相对较少,而且考虑渗流—应力耦合时,基于邓肯—张模型的边坡稳定有限元强度折减法的研究也不多见。为此,该文利用ANSYS软件的APDL命令流语言并结合Fortran语言,编制了模块化的渗流—应力耦合计算程序。以某黏土心墙坝为例,基于邓肯—张模型有限元强度折减法,对其进行了考虑双场耦合的边坡稳定计算分析。研究结果表明,应力场能明显影响坝体材料的渗透系数,而渗流场则会造成坝体应力场的重分布,而且渗流场对心墙坝的边坡稳定会造成不利影响,在对心墙坝进行边坡稳定计算时,应尽可能考虑两场的耦合作用。

关键词： ANSYS 黏土心墙坝渗流—应力耦合邓肯—张模型强度折减法

基于渗流—应力耦合的深基坑开挖对临近桥基的影响

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山西建筑 2017年第2期43卷 91-93页

作者：李红亮周小涵上海城铁建筑科技有限公司上海200233 中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430050

利用有限元软件,建立了某地铁基坑模型,考虑基坑降水过程中渗流—应力的耦合作用,研究了强透水性地层地铁车站深基坑开挖过程对临近桥桩的影响,结果发现:考虑基坑降水渗流—应力耦合作用后,基坑开挖变形比不考虑渗流—应力耦合作用时加... 详细信息

利用有限元软件,建立了某地铁基坑模型,考虑基坑降水过程中渗流—应力的耦合作用,研究了强透水性地层地铁车站深基坑开挖过程对临近桥桩的影响,结果发现:考虑基坑降水渗流—应力耦合作用后,基坑开挖变形比不考虑渗流—应力耦合作用时加大;临近桥桩受到基坑开挖和基坑降水的影响,在施工中应注意保护。

关键词：地铁深基坑渗流—应力耦合桥墩

基于MIDAS—GTS的渗流—应力耦合作用下边坡稳定性分析

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甘肃科技 2016年第8期32卷 112-113页

作者：张江昊西安科技大学地质与环境工程系陕西西安710054

土质边坡中的地下水渗流作用主要涉及水力学和土力学相互作用的问题。地下水位升降产生的渗流—应力耦合作用对边坡稳定性会产生显著的影响。主要分析了土颗粒微元体在渗流中的受力状态,并据此得出应力—渗流耦合方程,在此基础上,结合MI... 详细信息

土质边坡中的地下水渗流作用主要涉及水力学和土力学相互作用的问题。地下水位升降产生的渗流—应力耦合作用对边坡稳定性会产生显著的影响。主要分析了土颗粒微元体在渗流中的受力状态,并据此得出应力—渗流耦合方程,在此基础上,结合MIDAS—GTS中的渗流分析模块及边坡稳定性分析模块(SRM),得出渗流—应力耦合作用对边坡稳定性的影响大小。

关键词： MIDAS—GTS 渗流—应力耦合边坡工程有限元稳定性

基于Flac^(3D)的不同水位下库岸边坡稳定性分析

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兰州工业学院学报 2024年第2期31卷 76-80页

作者：靳忠强张延飞上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司甘肃兰州730030

为探讨库岸堆积体边坡在不同水位下岸坡的变形特征、潜在破坏模式和稳定特性,以某库岸边坡治理项目为依托,建立三维库岸边坡模型,通过自编以坡面位移突变为判据的强度折减法FISH函数,对不同工况下库岸边坡的位移、稳定系数和最大剪切应... 详细信息

为探讨库岸堆积体边坡在不同水位下岸坡的变形特征、潜在破坏模式和稳定特性,以某库岸边坡治理项目为依托,建立三维库岸边坡模型,通过自编以坡面位移突变为判据的强度折减法FISH函数,对不同工况下库岸边坡的位移、稳定系数和最大剪切应变增量进行分析。结果表明:库岸堆积体边坡受水位扰动影响较大,低水位工况下,塑性区变化不大,稳定系数为1.46,较自重工况降低7.0%;而在高水位工况下,坡体进入了流塑状态,稳定系数为1.32,较自重工况降低16.0%,虽满足规范要求,但安全富余不多,建议对该堆积体边坡进行治理。

关键词：库岸边坡蓄水位渗流—应力耦合边坡稳定性

川中秋林地区致密砂岩水平井多簇射孔优化设计方法及应用效果

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油气藏评价与开发 2022年第2期12卷 337-344页

作者：唐波涛曾冀陈伟华陈一鑫王涛刘成冯逢中国石油西南油气田公司工程技术研究院四川成都610017 中国石油西南油气田公司勘探事业部四川成都610041 中国石油西南油气田公司致密油气勘探开发项目部四川成都610051

针对川中秋林地区致密砂岩储层天然裂缝欠发育,低孔、低渗且空间非均质性强的问题,通过室内物模实验确立了“段内多簇+高强度加砂+造长缝”的改造理念,在此基础上构建基于有效应力理论的井周应力场计算模型,并结合水平井渗流—应力耦合... 详细信息

针对川中秋林地区致密砂岩储层天然裂缝欠发育,低孔、低渗且空间非均质性强的问题,通过室内物模实验确立了“段内多簇+高强度加砂+造长缝”的改造理念,在此基础上构建基于有效应力理论的井周应力场计算模型,并结合水平井渗流—应力耦合裂缝延伸模型,明确了簇间距对裂缝竞争扩展及缝间渗流干扰的影响机制,形成了考虑应力干扰及渗流阴影的河道砂体非均匀布缝方法,确定了秋林地区致密砂岩水平井段内多簇射孔最优簇间距为7~12 m,使射孔簇开启率高达92.3%以上,有效提高了致密气储层改造效果。

关键词：水力压裂致密砂岩水平井多簇射孔渗流—应力耦合