摘要：富含孔隙/裂隙岩体的非线性变形对于工程的安全评价具有重要意义。在多物理场耦合分析求解器TOUGH-FLAC3D中实现双应变胡克模型(two-part Hooke s model,简称TPHM)的数值解法,并界定TPHM的适用条件。TPHM假设:对于岩体中可承受较大变形的软体(如孔隙、裂隙等),用基于自然应变(或真应变,即岩体变形与当前应力状态下的岩体体积之比)的胡克定律来描述;而对于只承受较小变形的硬体部分用基于工程应变(岩体变形与原始应力状态下的岩体体积之比)的胡克定律来描述。通过对室内岩样的应力-应变特征计算分析,表明TPHM在本质上反映了加卸载过程中低应力阶段的非线性变形行为,该力学响应完全取决于孔隙/裂隙的自然应变(真应变);通过对瑞士Mont Terri岩石实验室的深部ED-B巷道围岩的变形场计算分析,显示出TPHM较为准确地反映了开挖卸载诱发的围岩变形特征。因为TPHM本质上是考虑了低应力状态下孔隙/裂隙对岩石力学性质的影响,因此,在具有卸荷扰动特征的岩石工程中应用TPHM模型进行设计分析更符合实际。

摘要：基于对岩体流变特性的认识,从岩石材料内在物理力学性质受环境影响随时间劣化与岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化模型,开展岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。首先模拟了含顺坡软弱结构面边坡的时效破坏模式,分析了软弱结构面分布和强度劣化特性对边坡长期稳定性的影响;其次对一含有明显的软弱结构面的软硬互层岩质边坡,进行了时效变形破坏的实例分析。由于岩体的流变特性,岩体强度参数随时间的推移而逐渐衰减,致使边坡稳定程度降低。特别是对于含有明显的软弱结构面及软岩层的边坡,软弱结构面及软岩层的长期强度特性不容忽视。对含有明显的软弱结构面的软弱互层边坡蠕滑破坏的控制和治理,应在顾及时间效应的基础上,着重考虑长期强度、渗控和开挖卸荷等主要因素。研究成果可望对类似边坡的安全评价和设计提供一定的参考。

摘要：应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。

摘要：基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明:起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。

摘要：将离心加载算法引入到岩石破裂过程分析RFPA系统中,形成了RFPA离心加载法(RFPA-Centrifuge)。RFPA-Centrifuge的应力分析采用有限元基本算法,满足静力平衡、应变相容及岩土体的非线性应力–应变关系;秉承了RFPA系统的破坏分析功能,并且同样考虑材料细观非均匀的影响,对边坡等难点问题进行分析时,不需对滑动面或破坏区域做任何预先假定。通过对垂直土坡离心物理试验、倾斜的土坡、含两组平行节理岩质边坡和不同截面形状隧道的数值试验,证明该法可以直观、逼真地获得岩土结构的破坏区域或滑移破坏面,同时求得安全储备系数,分析结果与物理的试验和有限元强度折减法均比较一致。RFPA-Centrifuge不仅回避了强度折减法中有关力学参数复杂的折减规则,还克服了强度折减法难以用物理试验进行相互验证的不足,因而是一种极具前景的岩土工程稳定性分析方法。

摘要：将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程分析RFPA方法中,建立RFPA-SRM岩土工程稳定性强度折减分析方法。该方法以有限元方法作为应力分析工具,不仅满足静力平衡、应变相容,且充分考虑材料的细观非均匀特性,并秉承RFPA方法的破坏过程分析优势,能够反映岩土结构随强度劣化而呈现出渐进破坏诱致失稳的演化过程。以岩土工程中的边坡为例,阐述RFPA-SRM方法在边坡稳定性分析中的应用。利用RFPA-SRM方法进行边坡稳定性分析时,不需对滑动面做任何预先假定,对复杂地质地貌的边坡稳定性分析是实用的;同时以基元的破坏次数统计作为边坡的失稳判据,不仅可直观地得到坡体的滑移破坏面,还可求得安全系数,为边坡的稳定性研究提供一种新的便捷、有效方法。特别是RFPA-SRM对边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机制具有重要意义,更有利于从边坡失稳的源头入手指导边坡防护设计。最后对RFPA-SRM方法在一连拱分叉隧道安全设计中的应用进行探讨,得到该隧道结构的安全系数及潜在破坏模式,表明RFPA-SRM方法同样适合其他岩土结构稳定分析。

摘要：为认清裂隙岩体中同步压裂的应力扰动规律,指导页岩气储层压裂的优化设计,应用基于有限元的RFPA2D-Flow软件,首先对配对井相同压裂段间裂缝静、动态诱导应力扰动机制进行研究,随后研究了天然裂缝对水力裂缝的影响机制,并对裂隙岩体的同步压裂进行模拟。结果表明,相向延伸水力裂缝的诱导应力相互叠加,其对地应力场产生的扰动作用相对单井裂缝更加明显。水平主应力差较小时,配对井相同压裂段裂缝在相向延伸过程中相互吸引的趋势越明显,分支缝越多;小主应力差、小逼近角且高脆性矿物充填的天然裂缝更易使水力裂缝转向;对于非完全充填雁列式裂缝型储层,大主应力方位与天然裂缝呈30°至60°夹角时,天然裂缝起裂及失稳压力适中,可有效降低施工难度,同时该角度范围也利于一定数量的分支缝形成。同步压裂技术可对目标储层实现充分改造,具有良好应用前景。

摘要：为尝试研究非均匀层状岩层中的复杂水力压裂裂缝延伸行为,以胜利油田某典型砂泥薄互层储层的水平井压裂为背景模型,利用基于有限元的数值模拟软件,开展了一系列水平井压裂裂缝延伸行为的数值模拟研究。在模拟中,表征远场地应力的模型围压、层理(界面)的强度和地层岩性是考虑的主要因素。数值模拟表明,水力压裂裂缝的延伸模式是远场地应力、界面性质及地层岩性的综合作用结果。裂缝延伸过程中遇到层间界面会出现偏转、分叉和钝化终止行为,总体可分为4类延伸模式:直接穿透、钝化、T型扩展、偏转。这些非平面、复杂裂缝并非体积压裂改造裂缝,因此,不但不利于油气的流动,而且也是压裂压力畸高、有效主裂缝长度减少甚至压裂失败的原因之一。数值模拟初步解释了裂缝延伸过程中应力演化及其与层间界面的相互作用机制,可望为水力压裂改造工程相关的设计与机理分析提供参考。

摘要：软弱夹层等不良结构面对深部地下洞室的围岩稳定有着重要影响,应用有限元数值分析系统RFPA对软弱夹层影响下的深部地下洞室围岩损伤演化过程进行了模拟分析,重点研究了软弱夹层的展布位置、地应力大小对洞室围岩损伤区模式的影响。分析表明,有软弱夹层时,地下洞室开挖后围岩应力分布恶化,围岩应力扰动范围增大、相应的损伤区范围增大;地应力越大时,侧压系数的大小更多地主导着洞室围岩的损伤模式。研究成果可望对深部地下洞室选址及施工设计有借鉴意义。

摘要：利用基于离心试验原理的RFPA离心加载法对土质边坡的稳定性进行了数值模拟，无需假定破坏面的位置和形状，就可以直观地得到坡体的滑移破坏面，同时求得相应的安全系数。通过对支护前后边坡的破裂模式、安全系数的比较，表明支护措施发挥了很好的作用，对实例的分析说明RFPA离心加载法能够克服传统方法无法考虑土体与支挡结构之间共同作用及其变形协调的问题。证明RFPA离心加载法对于复杂的边坡稳定性分析是实用的．对滑坡的防治也有一定的参考价值，具有较好的应用前景。