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裂隙岩体渗流与卸荷力学相互作用及裂隙排水研究

许光祥  
【摘要】: 地下水对边坡等岩体工程的稳定具有巨大的影响,裂隙岩体渗流主要体现为裂隙渗流,因此,岩体水力学目前研究的主要方向是裂隙渗流的基本规律、计算模型及其与应力应变的耦合本构关系等。因开挖卸荷引起的岩体变形损伤、节理连通率和张开度增大对裂隙渗流的影响,以及渗流场的变化反过来对应力场的作用,这种称之为水流与卸荷力学的相互作用研究还是岩体水力学的新领域。本文在充分认识了国内外岩体渗流研究的发展及研究现状的基础上,结合现场观测、模型试验、理论研究及数值分析等多种方法,对裂隙岩体的水力几何参数、计算模型、基本渗流规律、裂隙排水、岩体卸荷力学及其与渗流的相互作用等多方面进行了研究,取得了如下一些主要成果。 1、通过现场观测及统计分析表明,三峡永久船闸区岩体结构面第一优势走向为NE-NEE,第二优势走向为NNW,所有结构面中,陡倾角占绝对优势。仰斜孔排水效果明显优于铅直孔,二者实测排水量之比与其穿越结构面的数目之比十分一致(≈2)。岩体裂隙中的地下水位基本不随降雨量的变化而起伏,船闸区岩体渗流非稳定特性不明显,基本属于稳定渗流。 2、现有的裂隙渗流基本规律的研究成果中,渗流量与隙宽出现两种截然相反的关系:超立方和次立方关系;渗流量与相对粗糙度也存在两种相反的关系:正相关和负相关关系。本文首次对这两种关系进行了详细分析,并通过单裂隙渗流试验证明了这两种关系的存在。结果表明,吻合裂隙试件为次立方和正相关关系,非吻合试件为超立方和负相关关系。 3、本文首次利用宽配和糙配曲线,提出频率隙宽和频率粗糙度的概念,特别是频率水力隙宽的提出,为解决现有隙宽应用中出现的局限性具有极大的帮助作用。通过现有研究成果的实例分析和随机裂隙的计算机有限元模拟,相应于水力隙宽的频率在48~50%内,即eh=e48~e50。 4、通过单裂隙排水试验,建立了倾斜孔和垂直孔的排水量之比与其交界线的等效直径比之间的自然对数关系式,排水孔排水量基本随其与裂隙面的交角减小而增大;对单组裂隙排水的初步分析表明,排水孔与裂隙面的夹角在21~36°范围内排水效果最佳。同时进行的排水管影响范围试验结果表明,排水孔的水平影响半径一般不超过排水孔半径的11.6倍。 WP=55、本文提出将单元裂隙网络转化为等效单元渗透张量的裂隙网络转换模型(单元网络模型),具有真正体现裂隙岩体渗流明显的各向异性和显著的非均质性、易于模拟变隙宽裂隙、基本显示岩体裂隙网络渗流的基本特点、充分利用连续介质模型雄厚的理论基础等特点。同时,提出的自由面逸出点微调方法——流量平衡法,可较准确、方便获得逸出点的具体位置,克服了现有计算方法中逸出点仅取在结点上的局限性,并通过实例计算证实了该方法的可行性和实用性。 6、岩体工程存在加载、卸荷、加卸载并存和交替加卸载等多种工程力学状态,边坡工程宜采用卸荷岩体力学理论研究。卸荷岩体力学考虑了岩体动态各向异性、岩体质量迅速劣化、抗拉强度极度敏感、高度的非线性等重要特性,不能简单地模拟加载的逆过程。岩体柔度矩阵可由岩块柔度矩阵和裂隙柔度矩阵组成,通过算例分析表明,裂隙的存在可使岩体的弹性常数大幅度的降低。 7、基于现有裂隙变形曲线的研究成果,建立了裂隙卸荷变形及其割线刚度的本构关系式。通过对裂隙岩体渗流与卸荷力学相互作用的分析,提出了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系。 8、通过工程应用计算发现,边坡开挖卸荷后,应力场的改变可使临近坡面的岩体渗透系数增加3个数量级,而渗流对应力的分布也有较大影响,其中,渗流引起最小有效主应力的减小幅度明显大于最大有效主应力的减小幅度。分析表明,采用卸荷非线性岩体力学的计算结果更符合实际。


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