三維裂隙網絡水-力耦合演化機制與數值模擬項目摘要

本項目采用現(xiàn)場地質調查、室內試驗、理論建模和數值分析相結合的方法，研究三維裂隙網絡在水-力耦合作用下的演化過程與數值模擬方法。采用含貫通裂隙的巖柱試樣進行結構面在不同荷載條件下的全應力應變水力耦合試驗，揭示單條貫通裂隙復雜應力條件下變形與滲流的耦合機理；采用含非貫通裂隙的巖柱試樣進行不同荷載、滲透壓條件下的破壞試驗，揭示水-力耦合作用下裂紋擴展演化機理以及裂紋擴展過程中滲透特性的演化規(guī)律；同時開展現(xiàn)場地質研究，發(fā)展和完善裂隙巖體三維地質結構面網絡以及滲透網絡的模擬方法；建立包括應力-應變、水體流動、非貫通裂隙擴展等過程在內的三維裂隙網絡水-力耦合演化的數學模型，研發(fā)高效可靠的裂隙網絡滲流-變形的數值求解算法及計算軟件，并結合實際工程開展應用研究，為我國水電、交通、能源開發(fā)、核廢料地質處置等工程巖體的滲控優(yōu)化設計和穩(wěn)定性分析提供理論支持。

相對于完整巖石而言，裂隙巖體內部地下水流動主要受裂隙及裂隙形成的空間網絡所控制。本項目顯式模擬大規(guī)模復雜裂隙，通過對Darcy定理進行延拓處理，建立了定義在復雜二維、三維裂隙網絡全域上穩(wěn)定/非穩(wěn)定滲流問題的偏微分方程（PDE）提法，在數學上嚴格證明了定義在整個裂隙網絡區(qū)域上水頭勢函數的兩個基本屬性。為了減小試探函數的選取難度和消除溢出點的奇異性，進一步提出了求解有自由面穩(wěn)定滲流問題的橢圓型變分不等式提法，以及求解非穩(wěn)定滲流問題的拋物型變分不等式提法，并給出了有限元數值求解格式。通過對含貫通、非貫通裂隙巖樣在不同圍壓、不同滲透壓條件下的水力耦合試驗研究表明：隨著圍壓的增大，應力應變曲線表現(xiàn)出了明顯的由脆性破壞向延性破壞的轉變；含裂隙巖石的滲透系數與圍壓密切相關，在不同圍壓條件下，滲透性在應力峰值后都發(fā)生了明顯的突變，且隨著應變的增大，滲透性逐漸升高，變化速率由快變緩，最后趨于穩(wěn)定。根據試驗成果和理論推導，發(fā)展了非貫通裂隙破壞的強度模型和細觀破壞模擬的數值計算方法。 在上述研究基礎上，采用改進剛塊彈簧元法和離散裂隙網絡模型（DFN），引入模擬裂隙萌生、擴展的破壞準則，建立了包括應力-應變、水體流動、裂隙萌生擴展等過程在內的復雜裂隙網絡水-力耦合演化的數學模型，并研發(fā)了高效可靠的裂隙網絡滲流-變形的數值求解算法及計算程序，研究成果可為我國水電工程、能源開發(fā)、核廢料地質處置等工程巖體的滲控優(yōu)化設計和穩(wěn)定性分析提供理論支持。 2100433B

本書以非飽和土為主要研究對象，開展了非飽和土水-力全耦合本構模型、數值模擬與應用方面的研究，主要創(chuàng)新點如下：(1) 從土體細觀結構及其演化特征出發(fā)，在熱力學框架下建立了非飽和土水力全耦合模型，揭示了土體濕陷/膨脹等變形與非飽和滲流的耦合機制；(2) 發(fā)展了非飽和土彈塑性本構積分的隱式-折返算法，研發(fā)了水/氣滲流-彈塑性變形全耦合分析軟件(F2Mus3D)并進行了算例驗證；(3) 基于F2Mus3D研究了土質邊坡在降雨入滲過程中剪切帶萌生、形成、發(fā)展直至貫通的全過程，揭示了暴雨誘發(fā)滑坡的漸進破壞機制。 2100433B

在系列混凝土動力本構關系實驗研究的基礎上，結合混凝土細觀數值模擬技術，深入研究地震、強風等動力荷載作用下混凝土損傷的細觀機理及其演化機制；基于多尺度方法體系，合理描述微觀裂縫演化對宏觀損傷演化的影響，探索混凝土動力損傷擴散的物理機制與多尺度隨機漲落特征；發(fā)展可以科學反映混凝土結構隨機動力非線性行為的建模理論與數值模擬方法，為正確反映重大工程結構在地震、強風等災害作用下的性態(tài)、進行重大工程結構的精細化分析和控制提供科學基礎。 2100433B

原生裂隙水壓致裂法地應力測量，充分利用了重張試驗確定裂隙法向應力精度高的特點，克服了傳統(tǒng)水壓致裂法假設多、鉆孔橫截面最大主應力計算誤差大等缺點，并且可進行大尺度的三維地應力測量，但當所測原生裂隙距離大時，應考慮應力梯度。介紹了原生裂隙水壓致裂法三維地應力測量的原理和步驟，基于大量的實測地應力分布規(guī)律的研究成果，簡化出滿足一般工程的線性應力梯度形式，并推導了便捷的計算過程。工程應用發(fā)現(xiàn)，不考慮應力梯度的原生裂隙水壓致裂法三維地應力測量結果與考慮應力梯度測量結果具有一定差別，而后者的測量結果能反映測試范圍內的地應力場變化。 2100433B