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裂隙岩体渗流与应力耦合数值分析及工程应用

李涛  
【摘要】: 随着我国民经济的飞速发展,土木工程的规模日益增大,工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定是许多工程学科面临的共同问题。据统计,90%以上的岩石边坡破坏与地下水渗透力有关,60%的矿井事故与地下水的作用有关,30~40%的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。可见,裂隙岩体渗流与应力耦合分析是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂的课题,近年来,岩体渗流与应力(应变)耦合作用研究已成为岩体力学领域的热点之一。 描述裂隙水流运动规律的立方定律是建立在平行板裂隙模型基础上得出的,本文以岩体水力学为基础,推导单裂隙非稳定流和变隙宽锲形裂隙渗流计算公式,提出单裂隙渗流系统对裂隙壁的剪切作用并给出了剪切力的计算公式。综述了裂隙岩体渗流分析与力学分析的各类数学模型,对于非双重介质模型—等效连续介质模型和离散裂隙网络模型分别给出了它们的有限元模拟公式,还进一步给出了结合上述两种模型优点的适用于复杂裂隙岩体的耦合统一模型。 裂隙岩体渗流与应力的耦合作用研究,把岩体视为具有各向异性本构关系的等效连续模型,通过迭代的方法实现。即先不考虑耦合作用,进行力学、渗流计算,计算出各个节点应力、渗流力,然后把渗流力以节点荷载的方式施加到力学模型上进行力学计算,根据耦合关系,得出待求场的渗透系数,然后重复上述分析,直到收敛为止。 本文以弹性力学为基本理论,推导了压力隧洞围岩应力和位移的计算公式,同时推导了在渗水条件下压力隧洞应力的计算公式,然后给出了压力隧洞渗流与应力的耦合方程,并给出了差分解法。工程应用方面,借助于有限元程序对重力坝坝基和岩石边坡进行渗流场与应力场耦合分析。


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