基于斷裂力學(xué)的土石壩心墻水力劈裂研究.pdf

1、心墻的水力劈裂問題是目前高心墻壩設(shè)計(jì)中急需解決的關(guān)鍵巖土工程技術(shù)問題之一，對(duì)其進(jìn)行深入研究，有益于解決實(shí)際工程問題和進(jìn)一步完善土石壩設(shè)計(jì)理論。本文在總結(jié)和評(píng)述前人研究成果的基礎(chǔ)上，從發(fā)生條件、力學(xué)機(jī)理、判定準(zhǔn)則和數(shù)值模擬等方面對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)深入地研究。 水力劈裂的發(fā)生條件包括物質(zhì)和力學(xué)兩個(gè)方面。前者是存在于心墻上游面的裂縫和心墻土料的低透水性，該條件通常是具備的；后者是庫水進(jìn)入裂縫后形成的足夠強(qiáng)的“水楔”作用。由于“水楔”作用的

2、形成需要快速的蓄水速率和心墻土體為非飽和狀態(tài)，水力劈裂通常易發(fā)生在水庫的初次蓄水期，若心墻土體為飽和狀態(tài)或者穩(wěn)定滲流已經(jīng)形成，發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象的可能性將不大。 通過裂縫進(jìn)入心墻的水體，在裂縫內(nèi)形成的梯度水壓力改變了裂縫尖端的應(yīng)力場，當(dāng)該應(yīng)力場的強(qiáng)度達(dá)到裂縫擴(kuò)展所需要的強(qiáng)度時(shí)，裂縫就擴(kuò)展，即發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象，這就是水力劈裂發(fā)生的力學(xué)機(jī)理。該機(jī)理可從斷裂力學(xué)的角度揭示，水力劈裂問題也可用斷裂力學(xué)的理論進(jìn)行研究。 從斷裂力學(xué)的

3、角度研究水力劈裂問題，首先要研究的是心墻土體的斷裂特性。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)中無法克服試樣自重影響的缺點(diǎn)，提出了從水平方向施加斷裂荷載的改進(jìn)方法，并基于該改進(jìn)方法，研制了適于測試土體斷裂參數(shù)的測試儀。利用該儀器，對(duì)云南糯扎渡堆石壩心墻料的擊實(shí)試樣進(jìn)行了室內(nèi)斷裂試驗(yàn)，論證了線彈性斷裂力學(xué)的適用性，研究了其Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型的斷裂特性。結(jié)合前人研究成果，建立了巖土材料的斷裂韌度KIC和單軸抗拉強(qiáng)度σt間的線性相關(guān)關(guān)系。提出了所研究

4、土體的Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂判據(jù)。 基于線彈性斷裂力學(xué)理論和斷裂試驗(yàn)成果，提出了Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型的水力劈裂判定準(zhǔn)則。以含裂縫的方形水力劈裂試驗(yàn)試樣和含裂縫的心墻上游面為例，推求了其發(fā)生水力劈裂的條件，討論了判定準(zhǔn)則的應(yīng)用，分析了水力劈裂發(fā)生的機(jī)理和最危險(xiǎn)裂縫的產(chǎn)狀。 提出用4結(jié)點(diǎn)等參單元建立裂縫及其端部的有限元模型，用虛裂縫擴(kuò)展法計(jì)算J積分，對(duì)水力劈裂的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行判定模擬的有限元方法。通過數(shù)值方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲梁和非對(duì)稱四