裂隙岩体破坏和水力耦合数值模型研究

【摘要】：水力耦合效应是岩石工程中的一个重要研究课题,例如在废弃物的地质填埋,高陡岩石边坡和地下厂房等工程中,水力耦合在工程安全性评价中扮演着至关重要的角色。由于不连续结构面的存在,岩体水力性质很难确定。原位试验存在着技术上的困难,且价格昂贵,使得数值模型成为刻画岩石水-力性质的一个必不可少的工具。基于离散裂隙网络模型和改进刚体弹簧法,本文提出了一种显式考虑岩体细观结构的水力耦合计算模型。本文的主要工作列举如下, (1)提出了一种用于岩石细观破坏模拟的改进刚块弹簧方法,该方法可以显式考虑预存裂隙网络等岩体细观结构,同时可以模拟新裂隙的产生、扩展和贯通的全过程。在该模型中,岩石基质由随机均布的多边形块体集合表示,相邻块体由共同界面上的弹簧相互连接,岩体的宏观变形由块体的相对位移或裂隙变形来表现。 (2)基于离散裂隙网络模型,提出了一种新的双重介质渗流模型。岩石基质的渗透性由沿着块体界面的液体流动来模拟。结合改进刚体弹簧方法,分析了岩石破坏过程中渗透特性变化规律和突变机理。 (3)提出了一种基于变分不等式方法的计算模型,用于求解贯通裂隙网络的自由面渗流问题。该方法对具有复杂拓扑关系和边界条件(如排水系统)的裂隙网络均具有很强的适用性,并已推广到三维问题。 (4)提出了一种用于模拟密集裂隙岩体水力耦合效应的模型。该模型忽略了岩石基质的变形和渗透特性,渗流和变形都发生在裂隙中。为合理反映裂隙的非线性变形特性,引入了同时考虑非线性法向应力变形关系、剪切滑动和剪胀效应的裂隙本构模型。分析了不同应力条件下水力耦合效应的控制性机理。