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岩体水力劈裂实验及计算模拟方法研究

岑建  
【摘要】:岩体水力劈裂是裂隙岩体渗流—应力耦合的一个方面,它主要反映的是在渗透水压力的作用下,岩体的力学响应及结构变化。随着社会的发展,水利工程建设、油气开采、地下核废料储存、地热开采等越来越多的岩土工程都处于高水头、大埋深的复杂水文地质条件下,使得岩体水力劈裂受到越来越多的关注。由于岩体水力劈裂的复杂性,至今人们对水力劈裂的发生机理、发生条件、发展过程以及判别方法等问题仍没有很好地解决。本文以实验研究为基础,数值模拟为手段,采用室内实验与数值模拟相结合的研究方法,对岩体水力劈裂问题进行了研究,并将研究成果应用于实际工程问题的分析中。本文主要从事研究的内容与取得的成果如下: (1)综述了国内外对岩体水力劈裂方面的研究成果与主要发展方向,在此基础上提出了本文重点研究的问题。借鉴前人的研究思想和研究方法,本文最终确立了以实验研究为基础,结合理论分析的研究思路。 (2)开展水力劈裂实验试样的设计,并进行了水泥砂浆的材料力学特性参数测定试验,着重测试了设计配合比下的水泥砂浆的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比以及应力~应变曲线,为水泥砂浆的水力劈裂试验的试样材料力学特性描述提供了的依据。 (3)以水泥砂浆作为岩石的相似材料,进行了水力劈裂实验方法设计。针对厚壁圆筒试件进行了9组近30个试样的水力劈裂试验研究。通过对试验成果分析,寻找水力劈裂的破坏形式、水力劈裂临界内孔水压力与试件破坏时应力状态之间的关系,重点探讨了渗透孔隙水压力对劈裂的影响机理,并总结提出了半经验关系。初步分析了实验围压条件、试件内径、加载路径对水力劈裂的影响。 (4)引进虚拟接触面单元作为预留的可能发生劈裂的单元,基于弹脆性力学理论,研制了相应的不变网格水力劈裂开裂过程模拟算法,开发了三维岩体水力劈裂有限元计算分析程序。通过对试验结果与数值模拟结果的比较,验证了计算模型和算法的正确性。 (5)将上述的研究成果应用于乌龙山抽水蓄能电站的引水隧洞衬砌水力劈裂计算分析研究中。通过计算分析,对该引水隧洞工程在高水头作用下的安全和稳定性作出了评价,并提出了适当的建议,为工程的设计和施工提供参考依据。 (6)总结了本文尚未解决的问题,提出了展望。


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