在高内压循环作用下地下储气库衬砌易产生裂缝与渗透通道,密封层受力与裂缝控制问题尤为关键。基于有限-离散元方法(finite-discrete element method,简称FDEM),建立了连续-非连续的围岩-衬砌-密封层整体模型,系统研究了平钢板与波拱两...在高内压循环作用下地下储气库衬砌易产生裂缝与渗透通道,密封层受力与裂缝控制问题尤为关键。基于有限-离散元方法(finite-discrete element method,简称FDEM),建立了连续-非连续的围岩-衬砌-密封层整体模型,系统研究了平钢板与波拱两类钢衬及预设缝设计参数对衬砌裂缝演化与密封性能的影响。结果表明,平钢板型密封层应力水平和裂缝数量较高,整体性差,预设缝改善衬砌开裂与密封结构受力作用有限;波拱型结构能显著降低峰值应力并改变裂缝分布,使得裂缝多集中在波拱底部,整体裂缝数量减少,但波拱处的裂缝开裂宽度更大。采用波拱+预设缝相结合的方案可进一步均匀化开裂,减少密封钢衬应力。随着波拱和预设缝数量增加,应力分布趋于均匀,裂缝扩展受控,但最大裂缝宽度呈先减后增趋势,钢衬应力模式由拉应力向弯-剪应力转变。当缝设于拱底时,裂缝可沿预设路径均匀扩展,并可结合防排水措施降低渗透风险。总体而言,波拱+预设缝复合设计在引导裂缝、释放应变和提升密封渗透性能方面具有显著优势,为储气库密封-衬砌协同优化设计提供参考。展开更多
三峡库区秭归盆地广泛分布以软硬相间地层为主的易滑地层,在长期的库水浸泡冲刷、降雨等作用下,地层岩土体发生劣化损伤,成为降低滑坡稳定和影响工程安全的重要内因。以软硬相间地层岩土体为研究对象,采用有限-离散元法(finite discrete...三峡库区秭归盆地广泛分布以软硬相间地层为主的易滑地层,在长期的库水浸泡冲刷、降雨等作用下,地层岩土体发生劣化损伤,成为降低滑坡稳定和影响工程安全的重要内因。以软硬相间地层岩土体为研究对象,采用有限-离散元法(finite discrete element method,简称FDEM)对不同干湿循环作用下软硬相间地层中硬岩和软岩的力学参数进行了标定,然后通过改进的泰森多边形程序进行了网格重划分,实现了零厚度黏聚力单元的嵌入功能,提出并建立了软硬相间地层滑坡-抗滑桩体系FDE.M数值计算模型,最后对不同干湿循环作用下滑坡裂纹的形成过程和抗滑桩的嵌固机理进行了研究。研究结果表明:(1)滑坡模拟裂纹数量随着干湿循环次数的增加而增多,裂纹宽度也逐渐增大,并与马家沟滑坡现场裂缝进行了对比,模拟结果与现场基本一致;(2)滑坡-抗滑桩体系的模拟裂纹呈现2种演化模式,一是裂纹从桩顶侧岩土体沿着桩身向下扩展,二是裂纹从抗滑桩周围逐渐向滑体内部延伸,与横向裂纹和竖向裂纹连通,最终形成大型的贯通裂纹;(3)当干湿循环次数增加时,抗滑桩桩身水平位移、弯矩和剪力也随之增加;(4)抗滑桩嵌固段的软硬相间地层基岩内的裂纹具有局部化发育特征,而且随干湿循环次数的增加,区域内的应力逐渐减小,位移和应变则逐渐增大,相应的裂纹也愈发密集。研究成果可为不同干湿循环作用下软硬相间地层滑坡防治提供技术支撑。展开更多
为了研究混凝土在轴向应力作用下的微裂纹萌生扩展过程和位移场、应力场的变化,采用有限-离散元法(Combined finite-discrete element method, FDEM)进行混凝土数值模型重构,生成了结构上含多边形随机骨料、砂浆和界面过渡区三相物质的...为了研究混凝土在轴向应力作用下的微裂纹萌生扩展过程和位移场、应力场的变化,采用有限-离散元法(Combined finite-discrete element method, FDEM)进行混凝土数值模型重构,生成了结构上含多边形随机骨料、砂浆和界面过渡区三相物质的数值模型。主要结论如下:(1)有限-离散元法可以很好地模拟混凝土在外部轴向荷载下开裂的全过程,包括微裂纹萌生、扩展、贯通等过程。(2)由骨料、砂浆和两者之间的界面过渡区造成的力学参数非均质性和混凝土内部结构的非均质性共同造成了混凝土位移场和应力场分布的不均匀性。且界面过渡区由于力学参数较为薄弱,最易萌生微裂纹,首先产生破坏。(3)非均质性会影响混凝土的局部应力场分布,造成应力集中现象。(4)FDEM能够较好地模拟高性能混凝土的拉压比(0.064),为更进一步模拟大尺度混凝土建筑物的工程特性打下良好的基础。展开更多
岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM（finite discrete element method）方法,用建立的FDEM-TM（finite discrete element method with thermo-mechanical coupling）方法对...岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM（finite discrete element method）方法,用建立的FDEM-TM（finite discrete element method with thermo-mechanical coupling）方法对一个圆筒试样在两种不同温度边界条件下的热破裂进行了分析。研究表明,当内边界温度保持不变,外边界温度不断增大时（Tr0〈TR0）,起裂前,圆盘内侧处于受压状态,而圆盘外侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘外边界起裂,从外向内扩展,形成发散裂纹。当外边界温度保持不变，内边界温度不断增大时（Tr0〉TR0），起裂前，圆盘内侧处于受压状态，而圆盘外侧处于拉伸状态；当拉应力超过材料的抗拉强度时，从圆盘外边界起裂，从外向内扩展，形成从外向内扩展的径向裂纹。模拟结果和已有文献结果保持较好的一致性，验证了FDEM-TM方法模拟岩石热破裂的有效性。展开更多
颗粒材料具有非连续、离散性等特征,在进行数值模拟时面临着较大的计算压力。通过将精确缩尺准则和粗粒化方法引入到连续-离散耦合(combined finite-discrete element method,FDEM)方法中,旨在为加速基于FDEM的颗粒材料数值模拟提供一...颗粒材料具有非连续、离散性等特征,在进行数值模拟时面临着较大的计算压力。通过将精确缩尺准则和粗粒化方法引入到连续-离散耦合(combined finite-discrete element method,FDEM)方法中,旨在为加速基于FDEM的颗粒材料数值模拟提供一种解决方案。基于精确缩尺和粗粒化等理论,推导了FDEM中应遵循的精确缩尺准则,在此基础上分别进行了等粒径颗粒体系及二元颗粒体系的三轴剪切数值试验。试验结果表明,在未引入精确缩尺准则时,粗粒化模型表现的力学响应特征会发生改变,结果出现失真,因此必须对粗粒化模型参数进行修正。引入精确缩尺准则后,粗粒化模型的力学响应特征会得到补正。试验结果论证了FDEM引入精确缩尺准则和粗粒化方法的有效性,即能在近似原始颗粒体系的条件下大幅度提升采用FDEM进行颗粒材料数值模拟的计算效率。基于数值试验结果进行了宏细观力学分析,宏观应力变形和细观接触力相互映证,揭示了精确缩尺和粗粒化方法的细观力学机理。展开更多
This study integrates true triaxial hydraulic fracturing experiments with finite-discrete element method(FDEM)numerical simulation to systematically investigate the control mechanisms of interface strength and inclina...This study integrates true triaxial hydraulic fracturing experiments with finite-discrete element method(FDEM)numerical simulation to systematically investigate the control mechanisms of interface strength and inclination angle on hydraulic fracture propagation in coal measure strata under different in-situ stress conditions.The results indicate that the fracture propagation path at the rock interface is jointly controlled by the interface strength coefficient(η),the interface inclination angle(θ),and the vertical stress difference coefficient(κ).When fractures propagate from soft rock to hard rock,the interface strength coefficient(η)plays a dominant role.The larger the η is,the more likely the hydraulic fracture is to penetrate the interface along the direction of vertical stress.Conversely,when fractures propagate from hard rock to soft rock,vertical stress primarily controls the propagation path.A larger vertical stress difference coefficient promotes interface crossing,while a smaller coefficient tends to cause the fracture to extend laterally along the interface.The interface inclination angle influences the magnitude and direction of the vertical stress component along the interface.A smaller θ facilitates interface penetration by hydraulic fractures,whereas a larger θ leads to fracture propagation along the interface.The complexity of the hydraulic fracture network increases with higher κ and θ.Moreover,the complexity of hydraulic fracture morphology exhibits a non-monotonic trend,initially decreasing and then increasing with rising κ and θ.This research provides an important theoretical basis for the design and control of hydraulic fracturing in coal measure strata.展开更多
文摘在高内压循环作用下地下储气库衬砌易产生裂缝与渗透通道,密封层受力与裂缝控制问题尤为关键。基于有限-离散元方法(finite-discrete element method,简称FDEM),建立了连续-非连续的围岩-衬砌-密封层整体模型,系统研究了平钢板与波拱两类钢衬及预设缝设计参数对衬砌裂缝演化与密封性能的影响。结果表明,平钢板型密封层应力水平和裂缝数量较高,整体性差,预设缝改善衬砌开裂与密封结构受力作用有限;波拱型结构能显著降低峰值应力并改变裂缝分布,使得裂缝多集中在波拱底部,整体裂缝数量减少,但波拱处的裂缝开裂宽度更大。采用波拱+预设缝相结合的方案可进一步均匀化开裂,减少密封钢衬应力。随着波拱和预设缝数量增加,应力分布趋于均匀,裂缝扩展受控,但最大裂缝宽度呈先减后增趋势,钢衬应力模式由拉应力向弯-剪应力转变。当缝设于拱底时,裂缝可沿预设路径均匀扩展,并可结合防排水措施降低渗透风险。总体而言,波拱+预设缝复合设计在引导裂缝、释放应变和提升密封渗透性能方面具有显著优势,为储气库密封-衬砌协同优化设计提供参考。
文摘三峡库区秭归盆地广泛分布以软硬相间地层为主的易滑地层,在长期的库水浸泡冲刷、降雨等作用下,地层岩土体发生劣化损伤,成为降低滑坡稳定和影响工程安全的重要内因。以软硬相间地层岩土体为研究对象,采用有限-离散元法(finite discrete element method,简称FDEM)对不同干湿循环作用下软硬相间地层中硬岩和软岩的力学参数进行了标定,然后通过改进的泰森多边形程序进行了网格重划分,实现了零厚度黏聚力单元的嵌入功能,提出并建立了软硬相间地层滑坡-抗滑桩体系FDE.M数值计算模型,最后对不同干湿循环作用下滑坡裂纹的形成过程和抗滑桩的嵌固机理进行了研究。研究结果表明:(1)滑坡模拟裂纹数量随着干湿循环次数的增加而增多,裂纹宽度也逐渐增大,并与马家沟滑坡现场裂缝进行了对比,模拟结果与现场基本一致;(2)滑坡-抗滑桩体系的模拟裂纹呈现2种演化模式,一是裂纹从桩顶侧岩土体沿着桩身向下扩展,二是裂纹从抗滑桩周围逐渐向滑体内部延伸,与横向裂纹和竖向裂纹连通,最终形成大型的贯通裂纹;(3)当干湿循环次数增加时,抗滑桩桩身水平位移、弯矩和剪力也随之增加;(4)抗滑桩嵌固段的软硬相间地层基岩内的裂纹具有局部化发育特征,而且随干湿循环次数的增加,区域内的应力逐渐减小,位移和应变则逐渐增大,相应的裂纹也愈发密集。研究成果可为不同干湿循环作用下软硬相间地层滑坡防治提供技术支撑。
文摘为了研究混凝土在轴向应力作用下的微裂纹萌生扩展过程和位移场、应力场的变化,采用有限-离散元法(Combined finite-discrete element method, FDEM)进行混凝土数值模型重构,生成了结构上含多边形随机骨料、砂浆和界面过渡区三相物质的数值模型。主要结论如下:(1)有限-离散元法可以很好地模拟混凝土在外部轴向荷载下开裂的全过程,包括微裂纹萌生、扩展、贯通等过程。(2)由骨料、砂浆和两者之间的界面过渡区造成的力学参数非均质性和混凝土内部结构的非均质性共同造成了混凝土位移场和应力场分布的不均匀性。且界面过渡区由于力学参数较为薄弱,最易萌生微裂纹,首先产生破坏。(3)非均质性会影响混凝土的局部应力场分布,造成应力集中现象。(4)FDEM能够较好地模拟高性能混凝土的拉压比(0.064),为更进一步模拟大尺度混凝土建筑物的工程特性打下良好的基础。
文摘岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM（finite discrete element method）方法,用建立的FDEM-TM（finite discrete element method with thermo-mechanical coupling）方法对一个圆筒试样在两种不同温度边界条件下的热破裂进行了分析。研究表明,当内边界温度保持不变,外边界温度不断增大时（Tr0〈TR0）,起裂前,圆盘内侧处于受压状态,而圆盘外侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘外边界起裂,从外向内扩展,形成发散裂纹。当外边界温度保持不变，内边界温度不断增大时（Tr0〉TR0），起裂前，圆盘内侧处于受压状态，而圆盘外侧处于拉伸状态；当拉应力超过材料的抗拉强度时，从圆盘外边界起裂，从外向内扩展，形成从外向内扩展的径向裂纹。模拟结果和已有文献结果保持较好的一致性，验证了FDEM-TM方法模拟岩石热破裂的有效性。
文摘颗粒材料具有非连续、离散性等特征,在进行数值模拟时面临着较大的计算压力。通过将精确缩尺准则和粗粒化方法引入到连续-离散耦合(combined finite-discrete element method,FDEM)方法中,旨在为加速基于FDEM的颗粒材料数值模拟提供一种解决方案。基于精确缩尺和粗粒化等理论,推导了FDEM中应遵循的精确缩尺准则,在此基础上分别进行了等粒径颗粒体系及二元颗粒体系的三轴剪切数值试验。试验结果表明,在未引入精确缩尺准则时,粗粒化模型表现的力学响应特征会发生改变,结果出现失真,因此必须对粗粒化模型参数进行修正。引入精确缩尺准则后,粗粒化模型的力学响应特征会得到补正。试验结果论证了FDEM引入精确缩尺准则和粗粒化方法的有效性,即能在近似原始颗粒体系的条件下大幅度提升采用FDEM进行颗粒材料数值模拟的计算效率。基于数值试验结果进行了宏细观力学分析,宏观应力变形和细观接触力相互映证,揭示了精确缩尺和粗粒化方法的细观力学机理。
基金Project(52504144)supported by the National Natural Science Foundation of ChinaProject(2025BSHSDZZ366)supported by the Shaanxi Provincial Postdoctoral Research Project,China。
文摘This study integrates true triaxial hydraulic fracturing experiments with finite-discrete element method(FDEM)numerical simulation to systematically investigate the control mechanisms of interface strength and inclination angle on hydraulic fracture propagation in coal measure strata under different in-situ stress conditions.The results indicate that the fracture propagation path at the rock interface is jointly controlled by the interface strength coefficient(η),the interface inclination angle(θ),and the vertical stress difference coefficient(κ).When fractures propagate from soft rock to hard rock,the interface strength coefficient(η)plays a dominant role.The larger the η is,the more likely the hydraulic fracture is to penetrate the interface along the direction of vertical stress.Conversely,when fractures propagate from hard rock to soft rock,vertical stress primarily controls the propagation path.A larger vertical stress difference coefficient promotes interface crossing,while a smaller coefficient tends to cause the fracture to extend laterally along the interface.The interface inclination angle influences the magnitude and direction of the vertical stress component along the interface.A smaller θ facilitates interface penetration by hydraulic fractures,whereas a larger θ leads to fracture propagation along the interface.The complexity of the hydraulic fracture network increases with higher κ and θ.Moreover,the complexity of hydraulic fracture morphology exhibits a non-monotonic trend,initially decreasing and then increasing with rising κ and θ.This research provides an important theoretical basis for the design and control of hydraulic fracturing in coal measure strata.
