裂隙巖體滲流—損傷—斷裂耦合理論及應(yīng)用研究.pdf

1、滲流場(chǎng)中裂隙巖體的力學(xué)特性及水巖作用機(jī)理一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的前沿方向。滲流場(chǎng)的存在和改變是導(dǎo)致裂隙巖體工程失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害的重要原因之一。裂隙滲透壓加劇了巖體裂隙的起裂、擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖體漸進(jìn)失穩(wěn)破壞，在宏觀上，這一過(guò)程也是滲流導(dǎo)致巖體強(qiáng)度劣化損傷和圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化的過(guò)程，另一方面巖體應(yīng)力的改變和巖體裂隙的損傷擴(kuò)展，導(dǎo)致裂隙巖體滲透特性變化，將改變滲流場(chǎng)分布。巖體應(yīng)力的損傷演化與滲流之間的耦合作用可稱為裂隙巖體滲流-損傷

2、-斷裂耦合，裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合理論在水利水電工程、采礦工程、邊坡工程、隧道工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 本文研究課題依托國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50774093)：水巖作用下裂隙巖體流變-損傷-斷裂耦合理論及應(yīng)用。研究滲透壓作用下裂隙巖體斷裂力學(xué)特性，采用斷裂損傷力學(xué)理論研究滲流-應(yīng)力共同作用下裂隙巖體的損傷變形和斷裂破壞，從實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬多方面對(duì)裂隙巖體滲流-損傷-斷裂之間的耦合機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究

3、。重點(diǎn)研究了滲透壓對(duì)裂隙巖體宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改造作用及其宏觀損傷力學(xué)響應(yīng)；圍繞裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合機(jī)理和應(yīng)用研究這一課題，開(kāi)展以下方面的研究工作： (1)研究滲流-應(yīng)力作用下巖石裂紋的壓剪起裂、翼形裂紋擴(kuò)展、貫通規(guī)律；首次建立了滲流-應(yīng)力作用下的壓剪翼形裂紋模型并對(duì)模型進(jìn)行有限元數(shù)值驗(yàn)證；建立了滲流-壓剪應(yīng)力作用下巖石多裂紋體的損傷斷裂力學(xué)模型和裂紋貫通的破壞準(zhǔn)則，從理論上揭示了巖體水力致裂裂縫擴(kuò)展行為規(guī)律。 (2)

4、類巖材料多裂紋體斷裂破壞實(shí)驗(yàn)與巖石斷裂韌度測(cè)試。用白水泥砂漿作為相似材料，采用預(yù)埋抽條法制作不同空間展布的類巖石裂隙模型試樣，對(duì)單軸加載下裂隙擴(kuò)展、貫通方式及強(qiáng)度損傷隨裂隙空間展布和裂隙數(shù)量變化規(guī)律進(jìn)行了探索；對(duì)多系列巖石試件斷裂韌度進(jìn)行雙扭實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)巖石斷裂度與楊氏模量存在線性關(guān)系。 (3)采用細(xì)觀力學(xué)方法研究滲流-應(yīng)力共同作用下裂隙巖體的損傷變形，綜合巖體初始損傷和損傷演化特性，建立了裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合本構(gòu)模型

5、及裂隙巖體滲透張量演化方程；研制了含水裂隙巖體峰前應(yīng)力-應(yīng)變的細(xì)觀損傷力學(xué)的計(jì)算程序WFRD2D。 (4)從巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)出發(fā)，在建立孔隙-裂隙巖體介質(zhì)的流固耦合精細(xì)模型的基礎(chǔ)上，提出了基于雙重介質(zhì)裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合的數(shù)學(xué)模型，該模型中滲流場(chǎng)對(duì)損傷場(chǎng)的耦合效應(yīng)不僅體現(xiàn)在水力梯度以體積力或面力形式作用在應(yīng)力計(jì)算單元上，還體現(xiàn)在滲透壓對(duì)裂隙巖體剛度矩陣的削弱上。損傷應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的耦合作用體現(xiàn)在巖體和裂隙的滲透系數(shù)是應(yīng)力、翼

6、形裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和裂隙張開(kāi)度的函數(shù)上，該耦合模型中主干裂隙滲流采用離散介質(zhì)滲流模型；斷續(xù)裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流采用擬連續(xù)介質(zhì)滲流模型。 (5)研制了雙重介質(zhì)滲流-損傷-斷裂耦合模型的有限元程序DSDFC.for。提出離散裂隙介質(zhì)在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)采用空間節(jié)理單元，在進(jìn)行滲流分析時(shí)采用平面四節(jié)點(diǎn)等參單元或三角形單元的離散方法；保證了不同介質(zhì)之間的水量交換和兩類模型接觸處結(jié)點(diǎn)水頭，位移相等。 (6)在FLAC3D現(xiàn)有計(jì)算模塊的基礎(chǔ)上，通過(guò)

7、FISH研制裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合計(jì)算程序(擴(kuò)展FLAC3D模型)。開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序具有強(qiáng)大數(shù)值功能，包含了損傷力學(xué)計(jì)算模塊、滲流計(jì)算模塊及雙場(chǎng)耦合分析模塊。 (7)將裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合模型應(yīng)用于水庫(kù)蓄水裂隙岸坡的穩(wěn)定性分析和不襯砌壓力隧洞工程中，分析不同蓄水時(shí)期，裂隙岸坡滲流場(chǎng)分布、損傷場(chǎng)的演化，探討了水庫(kù)蓄水過(guò)程中岸坡山體變形機(jī)制。耦合分析認(rèn)為：山體變形是增量滲透力和增量浮托力共同作用于岸坡的結(jié)果；對(duì)蓄水相對(duì)高

8、程較大的裂隙岸坡而言，庫(kù)水位上升，裂隙滲透水壓增加導(dǎo)致巖體裂紋起裂擴(kuò)展，巖體損傷區(qū)增大且向岸坡深部擴(kuò)展。高滲透壓誘發(fā)岸坡不利斷層帶損傷區(qū)擴(kuò)展，甚至貫通可能是導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)的重要原因。研究了不襯砌水工壓力隧洞在運(yùn)行期間的水力劈裂情況、滲流場(chǎng)分布和內(nèi)水外滲情況，首次提出陡傾地表下不襯砌壓力隧洞與裂紋幾何特性、力學(xué)特性和巖石斷裂韌度高度相關(guān)的水力劈裂系數(shù)的概念。 (8)高壓預(yù)注水致裂軟化煤層的工業(yè)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。潞安礦務(wù)局王莊煤礦3＃煤