裂隙巖體應(yīng)力-損傷-滲流耦合理論、試驗(yàn)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(yán)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(kuò)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(kuò)展，又導(dǎo)致裂隙巖體滲透特性變化，進(jìn)而改變滲流場的分布。
　　 本文重點(diǎn)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(kuò)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(kuò)展貫通而導(dǎo)致破壞的機(jī)理，進(jìn)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB209402：礦井突水的動(dòng)力學(xué)特征及控制因素)和山東

3、省黃金集團(tuán)相關(guān)科研項(xiàng)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(jìn)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(kuò)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(yàn)研究：設(shè)計(jì)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(yàn)機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)三軸室、水壓加載系統(tǒng)和圍壓加載系統(tǒng)，改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置可完成完整類巖石試件應(yīng)力應(yīng)變-滲透率試驗(yàn)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(yàn)；進(jìn)行含預(yù)置裂隙類巖石試件的常規(guī)單軸試驗(yàn)并使用聲發(fā)射儀對試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測，并用離散元軟件PFC對單軸試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬；運(yùn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)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(kuò)展、貫通直至整個(gè)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(biāo)，開發(fā)設(shè)計(jì)“礦山突水機(jī)理及滲流特性研究試驗(yàn)機(jī)”。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(yàn)的非親水性相似材料；以三山島海下開采為工程實(shí)例，針對海下礦山開采的最小項(xiàng)板安全厚度問題進(jìn)行相似物理模擬試驗(yàn)研究；試驗(yàn)結(jié)果證明該試驗(yàn)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(xì)觀機(jī)制試驗(yàn)和理論研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)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(xì)介紹了有限元程序自動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出，再用Ansys調(diào)用裂隙面控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，使用Ansys對整體裂隙巖體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將所建數(shù)值模型導(dǎo)入FLAC3D，運(yùn)用FISH編寫孔隙-裂隙巖體介質(zhì)流固耦合分析計(jì)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(jì)算模型的接口程序，實(shí)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(jì)算模型成為現(xiàn)實(shí)；然后運(yùn)用FISH擴(kuò)展建立了基于FLAC3D如的裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合計(jì)算程序。后處理在TECPLOT和SURFER中完成，通過接口程序FLACTOTECPLOT.dat將FLAC3D計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入TECPLO