巖體水力劈裂實驗及計算模擬方法研究.pdf

1、巖體水力劈裂是裂隙巖體滲流—應力耦合的一個方面，它主要反映的是在滲透水壓力的作用下，巖體的力學響應及結構變化。隨著社會的發(fā)展，水利工程建設、油氣開采、地下核廢料儲存、地熱開采等越來越多的巖土工程都處于高水頭、大埋深的復雜水文地質(zhì)條件下，使得巖體水力劈裂受到越來越多的關注。由于巖體水力劈裂的復雜性，至今人們對水力劈裂的發(fā)生機理、發(fā)生條件、發(fā)展過程以及判別方法等問題仍沒有很好地解決。本文以實驗研究為基礎，數(shù)值模擬為手段，采用室內(nèi)實驗與數(shù)值模

2、擬相結合的研究方法，對巖體水力劈裂問題進行了研究，并將研究成果應用于實際工程問題的分析中。本文主要從事研究的內(nèi)容與取得的成果如下： (1)綜述了國內(nèi)外對巖體水力劈裂方面的研究成果與主要發(fā)展方向，在此基礎上提出了本文重點研究的問題。借鑒前人的研究思想和研究方法，本文最終確立了以實驗研究為基礎，結合理論分析的研究思路。 (2)開展水力劈裂實驗試樣的設計，并進行了水泥砂漿的材料力學特性參數(shù)測定試驗，著重測試了設計配合比下的水泥

3、砂漿的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比以及應力～應變曲線，為水泥砂漿的水力劈裂試驗的試樣材料力學特性描述提供了的依據(jù)。 (3)以水泥砂漿作為巖石的相似材料，進行了水力劈裂實驗方法設計。針對厚壁圓筒試件進行了9組近30個試樣的水力劈裂試驗研究。通過對試驗成果分析，尋找水力劈裂的破壞形式、水力劈裂臨界內(nèi)孔水壓力與試件破壞時應力狀態(tài)之間的關系，重點探討了滲透孔隙水壓力對劈裂的影響機理，并總結提出了半經(jīng)驗關系。初步分析了實驗圍壓條件

4、、試件內(nèi)徑、加載路徑對水力劈裂的影響。 (4)引進虛擬接觸面單元作為預留的可能發(fā)生劈裂的單元，基于彈脆性力學理論，研制了相應的不變網(wǎng)格水力劈裂開裂過程模擬算法，開發(fā)了三維巖體水力劈裂有限元計算分析程序。通過對試驗結果與數(shù)值模擬結果的比較，驗證了計算模型和算法的正確性。 (5)將上述的研究成果應用于烏龍山抽水蓄能電站的引水隧洞襯砌水力劈裂計算分析研究中。通過計算分析，對該引水隧洞工程在高水頭作用下的安全和穩(wěn)定性作出了評價，