岩体水力劈裂机理试验及数值模拟研究

摘要：

自然岩体由于本身的结构不确定性,使得对其力学效应和渗透性的研究遇到巨大困难.在研究工程区域的岩体稳定问题时,规模巨大的断层等构造可以具体描述,但是大量的小规模构造难以具体描述.正是这些小规模构造在导水方面起到不可忽视的作用.而水的渗流问题又是影响岩体及其以上的建筑物稳定的重要因素.正如人们所知,渗流会降低岩土体的稳定性.在高静水压力作用下,岩体内水的流态已经不能完全被岩体中的通道所约束.具有高势能的水会破坏岩体的原有结构,"创造"出更多的渗流通道来,以满足其卸掉势能的需要.水力劈裂问题的研究实质,就是具有高势能的水对岩体的破坏.本文基于连续介质弹脆性损伤理论,研究岩体水力劈裂的机理,在以下方面有所进展:(1) 在弹脆性力学的范畴内,提出基于应变的岩体破坏模式,并推导了判别准则.认为岩体的破坏具有拉和剪两种形式.由于具体的承载条件和约束条件不同,岩体破坏时,可能是以某一种(拉或剪)形式破坏,也可能两种破坏形式并存发生.两种破坏形式并存发生时,在一个足够小的时间段内,也是以单一的形式发生,只是在下一时间段可能就转化成另一种形式发生破坏.在一个具体的时刻,岩体发生哪一种形式的破坏,取决于当前哪一种破坏趋势占优势地位.(2) 基于常规三轴水力劈裂试验,提出了材料"不均匀系数"的概念,用来描述了材料的不均匀分布状况.并基于此,提出应变(应力)集中为核心的水力劈裂观点.认为:岩体,特别是脆性岩体的破坏是从局部开始的,在局部形成裂纹.裂纹的扩展,及裂纹的相互连通,导致岩体整体破坏.在高压水荷载的作用下,岩体的劈裂破坏必然伴随着高压水的侵入.对于裂缝来讲,高压水对裂缝面施加面荷载.正是这一面荷载的作用,大大加强了缝端的应力集中程度.这也就是水力劈裂会对岩体的稳定造成巨大威胁的原因.＃(3) 建立了渗透系数与损伤变量的关系函数.以此为桥梁,建立渗流、破坏的耦合关系.开发了有限元耦合计算程序.耦合计算分两部分:岩体的力学反应和岩体结构变化造成的渗流场的反应,两部分分别计算交叉叠代.数值计算的研究重点如下:①对岩体材料的非均匀模拟,选用Weibull分布或标准正态分布函数为计算单元赋材料参数(主要是弹模).研究表明,分别按两种分布函数为材料赋值,得到的裂缝扩展没有明显差别;②在裂缝扩展过程的数值模拟上,数值计算分荷载步,在每一个荷载步内再叠代计算.在每一个叠代步,只允许一个单元破坏.破坏后的单元要进行应力转移.应力转移的大小按照弹脆性本构模式进行.如此反复叠代直到平衡为止,并进入下一荷载步.计算表明,荷载步的大小对计算收敛性影响明显.计算时一般尽量设置小载荷步,载荷步过大时可能导致计算不收敛;③渗流场计算中,由于新裂缝连通性假设,随裂缝的扩展,渗流场变化明显.

关键词：岩石力学、水力劈裂、试验研究、数值分析、损伤力学、渗透系数、耦合分析

所属期刊栏目：24

分类号：O3(力学)

在线出版日期：2005-03-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共1页

页码：364-364