巖體水力劈裂機(jī)理試驗及數(shù)值模擬研究.pdf

1、自然巖體由于本身的結(jié)構(gòu)不確定性,使得對其力學(xué)效應(yīng)和滲透性的研究遇到巨大困難.在研究工程區(qū)域的巖體穩(wěn)定問題時,規(guī)模巨大的斷層等構(gòu)造可以具體描述,但是大量的小規(guī)模構(gòu)造難以具體描述.正是這些小規(guī)模構(gòu)造在導(dǎo)水方面起到不可忽視的作用.而水的滲流問題又是影響巖體以及其上的建筑物穩(wěn)定的重要因素.正如人們所知,滲流會降低巖土體的穩(wěn)定性.在高靜水壓力作用下,巖體內(nèi)水的流態(tài)已經(jīng)不能完全被巖體中的通道所約束.具有高勢能的水會破壞巖體的原有結(jié)構(gòu),"創(chuàng)造"出更多

2、的滲流通道來,以滿足它卸掉勢能的需要.水力劈裂問題的研究實質(zhì),就是具有高勢能的水對巖體的破壞.本文基于連續(xù)介質(zhì)彈脆性損傷理論,研究巖體水力劈裂的機(jī)理,在以下方面有所進(jìn)展:(1)在彈脆性力學(xué)的范疇內(nèi),提出基于應(yīng)變的巖體破壞模式,并推導(dǎo)了判別準(zhǔn)則.認(rèn)為巖體的破壞具有拉和剪兩種形式.由于具體的承載條件和約束條件不同,巖體破壞時,可能是以某一種(拉或剪)形式破壞,也可能兩種破壞形式并存發(fā)生.兩種破壞形式并存發(fā)生時,在一個足夠小的時間段內(nèi),也是以

3、單一的形式發(fā)生,只是在下一時間段可能就轉(zhuǎn)化成另一種形式發(fā)生破壞.在一個具體的時刻,巖體發(fā)生哪一種形式的破壞,取決于當(dāng)前哪一種破壞趨勢占優(yōu)勢地位.(2)基于常規(guī)三軸水力劈裂試驗,提出了材料"不均勻系數(shù)"的概念,用來描述了材料的不均勻分布狀況.并基于此,提出應(yīng)變(應(yīng)力)集中為核心的水力劈裂觀點.認(rèn)為:巖體,特別是脆性巖體的破壞是從局部開始的,在局部形成裂紋.裂紋的擴(kuò)展,及裂紋的相互連通,導(dǎo)致巖體整體破壞.在高壓水荷載的作用下,巖體的劈裂破壞

4、必然伴隨著高壓水的侵入.對于裂縫來講,高壓水對裂縫面施加面荷載.正是這一面荷載的作用,大大加強(qiáng)了縫端的應(yīng)力集中程度.這也就是水力劈裂為什么會對巖體的穩(wěn)定造成巨大威脅的原因.(3)建立了滲透系數(shù)與損傷變量的關(guān)系函數(shù).以此為橋梁,建立滲流、破壞的耦合關(guān)系.開發(fā)了有限元耦合計算程序.耦合計算分兩部分:巖體的力學(xué)反應(yīng)和巖體結(jié)構(gòu)變化造成的滲流場的反應(yīng),兩部分分別計算交叉疊代.數(shù)值計算的研究重點如下:①對巖體材料的非均勻模擬,選用Weibull分布

5、或標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)為計算單元賦材料參數(shù)(主要是彈模).研究表明,分別按兩種分布函數(shù)為材料賦值,得到的裂縫擴(kuò)展沒有明顯差別.②在裂縫擴(kuò)展過程的數(shù)值模擬上,數(shù)值計算分荷載步,在每一個荷載步內(nèi)再疊代計算.在每一個疊代步,只允許一個單元破壞.破壞后的單元要進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移.應(yīng)力轉(zhuǎn)移的大小按照彈脆性本構(gòu)模式進(jìn)行.如此反復(fù)疊代直到平衡為止,進(jìn)入下一荷載步.計算表明,荷載步的大小對計算收斂性影響明顯.計算時一般盡量沒置小載荷步,載荷步過大時可能導(dǎo)致計算不