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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2010年
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脆性岩石力学模型与流固耦合机理研究

张凯  
【摘要】: 随着岩体工程不断向深部发展,其所处的地质和应力环境变得更为复杂,高地应力和高渗透压力条件下岩体力学问题的研究已经提上日程,如何更准确地模拟岩体的力学响应已成为地下工程的关键问题之一。鉴于此,针对锦屏Ⅱ水电站深埋引水隧洞开挖过程中遇到的两类问题:高地应力下围岩的破坏和高水压力下的突(涌)水灾害,开展了大理岩力学模型和高渗透压下的流固耦合机理研究。本文主要研究工作与成果如下: (1)进行了两种大理岩(T2y6和T2b)和一种砂岩的峰前和峰后循环加卸载试验,用于研究脆性岩石材料经历塑性变形时的弹塑性耦合特性、后继屈服特性和剪胀特性。针对围压对岩石变形和强度的影响,提出了考虑围压影响的塑性内变量,基于该内变量可以考虑不同应力路径下岩石的屈服过程。根据循环加卸载试验结果和定义的塑性内变量,系统地研究了弹性参数、强度参数以及剪胀参数的演化过程。 (2)从加载速率角度研究了加荷和卸荷条件下所得强度的关系。提出用屈服接近速率(YAR)来表征加荷和卸荷状态下应力接近屈服状态的快慢,继而分析了加载和卸载条件下的屈服接近速率,并通过弹塑性细胞自动机EPCA2D的模拟试验和大理岩的实验室卸围压试验证明:卸载应力点在弹性范围内时,当卸荷速率为常规轴向加载速率的0.2-0.3倍时,卸荷和加载路径下的强度相当,即应力路径对强度没有影响。 (3)根据T2y6和T2b大理岩以及砂岩的峰前和峰后循环加卸载试验的结果,提出了弹塑性耦合力学模型。这一模型同时考虑了岩石材料的弹塑性耦合特性、硬化-软化特性、剪胀特性以及应力状态对屈服过程的影响。对室内三轴压缩试验和加拿大Mine-By试验洞破坏区的模拟结果表明,所建力学模型可以较好地反映脆性岩石的主要力学特性以及高地应力条件下岩体开挖后的损伤破坏特征。更为重要的是,所提力学模型对卸围压应力路径下岩石的变形和强度特性也能较好地反映。 (4)结合作者提出的弹塑性耦合力学模型,给出了连续介质条件下流固耦合分析的基本方程,建立了弹塑性条件下流固耦合分析的基本框架。针对现有文献对流固耦合方程中的流体连续性方程的形式存在的争议,采用两种思路推导了连续性方程,得到的连续性方程是等价的,同时将该方程与其他学者通过土体单元的质量守恒得到的连续性方程进行了对比,证明是一致的,从而得到了正确的连续性方程的形式。 (5)分析了有效应力系数的物理机理及其主要影响因素,在此基础上,提出了等效孔隙连通率的概念,以此表征岩土类孔隙介质的结构和孔隙之间的连通性,基于连续介质力学和张量分析的基本原理,建立了有效应力系数张量演化的普适性理论模型,该模型在各向同性和异性条件下都是适用的。基于煤和砂岩弹性阶段的有效应力测试结果,以及大理岩和砂岩塑性条件下的有效应力测试结果,获得了弹塑性条件下岩石有效应力系数演化的规律,计算结果与试验结果吻合较好,表明本文所建立的有效应力系数普适模型和分析方法是可行的;推导了Darcy流和非Darcy流统一渗流方程,并根据层流的粘性剪应力和紊流引起的附加剪应力的比例关系,提出了非Darcy流的判据。 (6)结合智能反演理论,将所建立的弹塑性耦合力学模型用于辅助洞2#试验洞开挖过程的模拟分析,研究了隧洞开挖过程中,围岩变形、损伤区和应力的演化规律,较好地给出了破坏区的位置和范围。根据所建立的流固耦合模型,考虑高渗透压下的非Darcy流效应,对锦屏Ⅱ水电站引水隧洞的开挖过程进行了流固耦合分析。探讨了隧洞周围的高压水对隧洞安全性的影响。根据流固耦合分析的结果,对突(涌)水的预防和治理提出了相应的建议。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU452

【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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10 彭从文;朱向荣;王金昌;;基于渐近展开法的脆性岩石双尺度方法初步研究[J];岩土力学;2011年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 许锡昌;刘泉声;;温度作用下脆性岩石的破坏类型及强度准则[A];新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C];2000年
2 高文学;刘运通;;岩石动态损伤机理及其应用研究[A];第七届全国工程爆破学术会议论文集[C];2001年
3 朱珍德;邢福东;孙钧;;基于灰色理论的脆性岩石抗压强度尺寸效应试验研究[A];盛世岁月——祝贺孙钧院士八秩华诞论文选集[C];2006年
4 黄书岭;丁秀丽;张传庆;;深部脆性岩石的力学行为与本构模型研究[A];中国软岩工程与深部灾害控制研究进展——第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
5 鲁晓兵;矫宾田;王淑云;;饱和脆性岩石在反平面剪切条件下的应变局部化分析[A];第九届全国岩石动力学学术会议论文集[C];2005年
6 王士民;朱合华;冯夏庭;;脆性岩石破坏数值模拟研究的两个问题[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
7 孙家禄;;岩石弹塑性的统计分析与分类指标的探讨[A];地下工程经验交流会论文选集[C];1982年
8 林鹏;黄凯珠;王仁坤;周维垣;杨强;;含裂纹缺陷脆性岩石的峰值强度模型研究[A];第一届全国水工岩石力学学术会议论文集[C];2005年
9 陶纪南;;爆破裂纹长度与岩石力学指标关系的研究[A];第三届全国岩石动力学学术会议论文选集[C];1992年
10 ;用800kN多功能三轴仪测量脆性岩石的扩容,蠕变及松弛(英文)[A];陈宗基论文选[C];1994年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 杨骏;不可忽视的技术元素[N];北京日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张勤;脆性岩石热—力—损伤耦合机理及数值模拟研究[D];武汉大学;2013年
2 张凯;脆性岩石力学模型与流固耦合机理研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
3 王小琼;脆性岩石损伤及物理性质演化的实验研究[D];中国地震局地球物理研究所;2012年
4 黄书岭;高应力下脆性岩石的力学模型与工程应用研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
5 任红;贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进取心机理研究[D];吉林大学;2008年
6 胡云华;高应力下花岗岩力学特性试验及本构模型研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
7 李晓静;深埋洞室劈裂破坏形成机理的试验和理论研究[D];山东大学;2007年
8 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
9 朱泽奇;坚硬裂隙岩体开挖扰动区形成机理研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
10 杨文东;复杂高坝坝区边坡岩体的非线性损伤流变力学模型及其工程应用[D];山东大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 段海波;高应力下脆性岩石力学特性及细观演化机制研究[D];长江科学院;2013年
2 王正一;弹脆性岩石损伤演化的细观数值研究及工程应用[D];河南理工大学;2009年
3 司林坡;小孔径钻孔触探法围岩强度测试原理研究及应用[D];煤炭科学研究总院;2006年
4 杜子建;岩爆预测理论与应用研究[D];武汉科技大学;2007年
5 刘向东;PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究[D];西安科技大学;2009年
6 吴子科;脆性岩石裂纹尖端扩展状态的混沌动力学分析[D];山东科技大学;2007年
7 刘庆菊;深层井壁稳定技术研究[D];大庆石油学院;2008年
8 王巍;终南山公路隧道岩爆发生机理研究[D];西安科技大学;2011年
9 高瞻;月面采样钻具回转冲击作用研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
10 梁志勇;锦屏二级水电站引水隧洞岩爆预测及防治对策研究[D];成都理工大学;2004年
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