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高水压力作用下岩体水力劈裂的无单元法模拟

谢坤  
【摘要】: 地下水赋存于岩体的裂隙中,其通过对裂隙面的水力作用,使岩体原有的裂隙(或空隙)发生扩展和相互连通的物理现象,称为水力劈裂。在处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下的岩体工程中,水力劈裂是影响着岩体及其之上工程建筑物稳定性的重要因素之一。 随着社会的发展,现今许多大型工程的建设正在向地下发展,地下工程离不开水压的作用,这推动了岩体水力劈裂理论的研究。岩体水力劈裂问题是裂隙岩体渗流-应力耦合研究的一个分支,对于它的研究目前尚处于初始阶段,许多基本的理论问题有待进一步深入研究。尤其是在渗透静水压力和动水压力的作用下水力劈裂的数值模拟还没有较好解决。本文鉴于此,利用无单元法模拟开裂的优越性,开展岩体水力劈裂的无单元法模拟研究。 首先,本文对无单元法的基本原理—滑动最小二乘法进行了研究,在此基础上,推导了无单元法的基本方程,利用共轭量法求解方程组。实例表明,无单元法具有前后处理简单、计算精度高的优点。 其次,本文对裂隙水流的双重力学效应进行了分析,研究渗透静水压力和渗透动水压力对裂纹面的作用形式与施加,考虑裂纹面水压作用对岩体裂纹尖端区域的应力场、应变场和位移场的影响,及由此而产生的岩体变形及裂纹开裂扩展。 最后,结合线弹性断裂力学理论,给出考虑裂纹面水压力作用下的修正J积分,计算水力劈裂状态下复合型裂纹的应力强度因子,并依此编制模拟岩体水力劈裂的无单元法程序。算例分析表明,本文编制的程序能很好的模拟裂纹水力劈裂的轨迹。


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