裂隙巖體應(yīng)力-損傷-滲流耦合理論、試驗及工程應(yīng)用研究.pdf

1、裂隙巖體內(nèi)部富含各種缺陷，包括微裂紋、孔隙以及節(jié)理裂隙等宏觀非連續(xù)面，這些存在的缺陷不但大大地改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)，而且也嚴重影響著巖體的滲透特性，因而裂隙巖體具有復(fù)雜的力學(xué)特性和滲透特性。應(yīng)力-損傷-滲流耦合是指裂隙中的滲流水壓力加劇巖體裂隙的起裂、擴展、貫通，導(dǎo)致巖體中應(yīng)力場和損傷場的改變；而巖體應(yīng)力的改變和巖體裂隙的損傷擴展，又導(dǎo)致裂隙巖體滲透特性變化，進而改變滲流場的分布。
　　 本文重點研究了裂隙巖體的應(yīng)力-損傷-滲流

2、耦合過程，揭示了巖體裂隙在應(yīng)力-損傷-滲流耦合狀態(tài)下裂隙的起裂、擴展、貫通規(guī)律，探求了裂隙巖體在應(yīng)力-損傷-滲流耦合狀態(tài)下由于其裂隙的擴展貫通而導(dǎo)致破壞的機理，進而揭示了含水裂隙巖體失穩(wěn)破壞的原因。該耦合理論在預(yù)防采礦工程中的礦井突水、水利水電工程中的大壩失穩(wěn)破壞以及水下隧道工程突(涌)水等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文結(jié)合國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展973計劃項目(2007CB209402：礦井突水的動力學(xué)特征及控制因素)和山東

3、省黃金集團相關(guān)科研項目的共同資助下開展理論和應(yīng)用研究，主要開展的研究工作如下：
　　 (1)理論分析研究：將斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)相結(jié)合，對滲透水壓作用下裂隙巖體的損傷斷裂力學(xué)性質(zhì)進行研究；探討壓剪、拉剪應(yīng)力狀態(tài)下及滲透水壓力作用下裂隙巖體中張開型裂紋閉合、起裂、分支裂紋擴展、相鄰裂紋間巖橋斷裂破壞及貫穿等的規(guī)律；給出滲透水壓力-壓(拉)剪應(yīng)力共同作用下巖石裂隙變化發(fā)展規(guī)律。
　　 (2)力學(xué)試驗研究：設(shè)計制作含預(yù)置裂紋圓柱

4、體巖石試樣(()50mm×100mm)的模具，可根據(jù)需要制作單、雙預(yù)置裂紋的類巖石試件；在原有2000KN伺服試驗機設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)三軸室、水壓加載系統(tǒng)和圍壓加載系統(tǒng)，改進后的試驗裝置可完成完整類巖石試件應(yīng)力應(yīng)變-滲透率試驗和滲透水壓-應(yīng)力耦合作用下含預(yù)置裂隙巖石試件破壞過程的試驗；進行含預(yù)置裂隙類巖石試件的常規(guī)單軸試驗并使用聲發(fā)射儀對試驗過程進行監(jiān)測，并用離散元軟件PFC對單軸試驗過程進行數(shù)值模擬；運用RFPA-flow模擬分析

5、在滲透水壓力作用下，含預(yù)置裂隙巖石的破壞過程，并與試驗結(jié)果進行了對比，通過應(yīng)力場和滲流場的圖形顯示觀察到巖石試件中裂紋的萌生、擴展、貫通直至整個結(jié)構(gòu)破裂的全過程。
　　 (3)本構(gòu)推導(dǎo)研究：研究拉、壓剪應(yīng)力及滲透水壓力共同作用下，裂隙巖體的損傷演化特性；推導(dǎo)考慮滲透水壓力作用的裂隙巖體彈塑性斷裂損傷本構(gòu)關(guān)系方程和裂隙巖體損傷演化方程；建立應(yīng)力-滲流-耦合作用下裂隙巖體滲透張量演化方程。
　　 (4)物理模擬研究：以海下開

6、采礦井突水災(zāi)害為研究目標，開發(fā)設(shè)計“礦山突水機理及滲流特性研究試驗機”。采用重晶石粉、液體石蠟、固體石蠟和河沙等材料配置用于模擬流固耦合相似物理模型試驗的非親水性相似材料；以三山島海下開采為工程實例，針對海下礦山開采的最小項板安全厚度問題進行相似物理模擬試驗研究；試驗結(jié)果證明該試驗系統(tǒng)的研制對于考慮滲流-應(yīng)力耦合作用的深部開采承壓突水的宏細觀機制試驗和理論研究具有重要的理論意義和實用價值。
　　 (5)數(shù)值分析研究：推導(dǎo)出包含離

7、散介質(zhì)和擬連續(xù)介質(zhì)的雙重介質(zhì)滲流應(yīng)力耦合模型；詳細介紹了有限元程序自動生成系統(tǒng)FEPG的原理、文件組成以及使用方法等。
　　 根據(jù)裂隙節(jié)理調(diào)查數(shù)據(jù)，利用Monte-Carlo模擬技術(shù)生成巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)，通過VB編寫程序?qū)⒘严睹婵刂泣c坐標導(dǎo)出，再用Ansys調(diào)用裂隙面控制點坐標文件，使用Ansys對整體裂隙巖體進行網(wǎng)格劃分，然后將所建數(shù)值模型導(dǎo)入FLAC3D，運用FISH編寫孔隙-裂隙巖體介質(zhì)流固耦合分析計算程序，數(shù)值模擬的最終結(jié)果

8、通過Tecplot軟件輸出。
　　 (6)工程應(yīng)用研究：編寫SURPAC三維地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為FIAC3D數(shù)值計算模型的接口程序，實現(xiàn)SURPAC三維地質(zhì)模型與數(shù)值模擬的耦合，使快速、便捷地建立較復(fù)雜的FLAC3D計算模型成為現(xiàn)實；然后運用FISH擴展建立了基于FLAC3D如的裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合計算程序。后處理在TECPLOT和SURFER中完成，通過接口程序FLACTOTECPLOT.dat將FLAC3D計算結(jié)果導(dǎo)入TECPLO