裂隙巖體滲流—損傷—斷裂耦合理論及應用研究.pdf

1、滲流場中裂隙巖體的力學特性及水巖作用機理一直是巖石力學領(lǐng)域關(guān)注的前沿方向。滲流場的存在和改變是導致裂隙巖體工程失穩(wěn)，甚至導致大規(guī)模地質(zhì)災害的重要原因之一。裂隙滲透壓加劇了巖體裂隙的起裂、擴展、貫通，導致巖體漸進失穩(wěn)破壞，在宏觀上，這一過程也是滲流導致巖體強度劣化損傷和圍巖應力場變化的過程，另一方面巖體應力的改變和巖體裂隙的損傷擴展，導致裂隙巖體滲透特性變化，將改變滲流場分布。巖體應力的損傷演化與滲流之間的耦合作用可稱為裂隙巖體滲流-損傷

2、-斷裂耦合，裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合理論在水利水電工程、采礦工程、邊坡工程、隧道工程等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。 本文研究課題依托國家自然科學基金資助項目(50774093)：水巖作用下裂隙巖體流變-損傷-斷裂耦合理論及應用。研究滲透壓作用下裂隙巖體斷裂力學特性，采用斷裂損傷力學理論研究滲流-應力共同作用下裂隙巖體的損傷變形和斷裂破壞，從實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬多方面對裂隙巖體滲流-損傷-斷裂之間的耦合機理進行了深入系統(tǒng)研究

3、。重點研究了滲透壓對裂隙巖體宏細觀結(jié)構(gòu)的改造作用及其宏觀損傷力學響應；圍繞裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合機理和應用研究這一課題，開展以下方面的研究工作： (1)研究滲流-應力作用下巖石裂紋的壓剪起裂、翼形裂紋擴展、貫通規(guī)律；首次建立了滲流-應力作用下的壓剪翼形裂紋模型并對模型進行有限元數(shù)值驗證；建立了滲流-壓剪應力作用下巖石多裂紋體的損傷斷裂力學模型和裂紋貫通的破壞準則，從理論上揭示了巖體水力致裂裂縫擴展行為規(guī)律。 (2)

4、類巖材料多裂紋體斷裂破壞實驗與巖石斷裂韌度測試。用白水泥砂漿作為相似材料，采用預埋抽條法制作不同空間展布的類巖石裂隙模型試樣，對單軸加載下裂隙擴展、貫通方式及強度損傷隨裂隙空間展布和裂隙數(shù)量變化規(guī)律進行了探索；對多系列巖石試件斷裂韌度進行雙扭實驗測試，發(fā)現(xiàn)巖石斷裂度與楊氏模量存在線性關(guān)系。 (3)采用細觀力學方法研究滲流-應力共同作用下裂隙巖體的損傷變形，綜合巖體初始損傷和損傷演化特性，建立了裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合本構(gòu)模型

5、及裂隙巖體滲透張量演化方程；研制了含水裂隙巖體峰前應力-應變的細觀損傷力學的計算程序WFRD2D。 (4)從巖體結(jié)構(gòu)力學出發(fā)，在建立孔隙-裂隙巖體介質(zhì)的流固耦合精細模型的基礎(chǔ)上，提出了基于雙重介質(zhì)裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合的數(shù)學模型，該模型中滲流場對損傷場的耦合效應不僅體現(xiàn)在水力梯度以體積力或面力形式作用在應力計算單元上，還體現(xiàn)在滲透壓對裂隙巖體剛度矩陣的削弱上。損傷應力場對滲流場的耦合作用體現(xiàn)在巖體和裂隙的滲透系數(shù)是應力、翼

6、形裂紋擴展長度和裂隙張開度的函數(shù)上，該耦合模型中主干裂隙滲流采用離散介質(zhì)滲流模型；斷續(xù)裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流采用擬連續(xù)介質(zhì)滲流模型。 (5)研制了雙重介質(zhì)滲流-損傷-斷裂耦合模型的有限元程序DSDFC.for。提出離散裂隙介質(zhì)在進行應力分析時采用空間節(jié)理單元，在進行滲流分析時采用平面四節(jié)點等參單元或三角形單元的離散方法；保證了不同介質(zhì)之間的水量交換和兩類模型接觸處結(jié)點水頭，位移相等。 (6)在FLAC3D現(xiàn)有計算模塊的基礎(chǔ)上，通過

7、FISH研制裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合計算程序(擴展FLAC3D模型)。開發(fā)的計算程序具有強大數(shù)值功能，包含了損傷力學計算模塊、滲流計算模塊及雙場耦合分析模塊。 (7)將裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合模型應用于水庫蓄水裂隙岸坡的穩(wěn)定性分析和不襯砌壓力隧洞工程中，分析不同蓄水時期，裂隙岸坡滲流場分布、損傷場的演化，探討了水庫蓄水過程中岸坡山體變形機制。耦合分析認為：山體變形是增量滲透力和增量浮托力共同作用于岸坡的結(jié)果；對蓄水相對高

8、程較大的裂隙岸坡而言，庫水位上升，裂隙滲透水壓增加導致巖體裂紋起裂擴展，巖體損傷區(qū)增大且向岸坡深部擴展。高滲透壓誘發(fā)岸坡不利斷層帶損傷區(qū)擴展，甚至貫通可能是導致岸坡失穩(wěn)的重要原因。研究了不襯砌水工壓力隧洞在運行期間的水力劈裂情況、滲流場分布和內(nèi)水外滲情況，首次提出陡傾地表下不襯砌壓力隧洞與裂紋幾何特性、力學特性和巖石斷裂韌度高度相關(guān)的水力劈裂系數(shù)的概念。 (8)高壓預注水致裂軟化煤層的工業(yè)實驗和數(shù)值研究。潞安礦務(wù)局王莊煤礦3＃煤