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裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究

陈红江  
【摘要】: 裂隙岩体内部富含各种缺陷,包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面,这些存在的缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质,而且也严重影响着岩体的渗透特性,因而裂隙岩体具有复杂的力学特性和渗透特性。应力-损伤-渗流耦合是指裂隙中的渗流水压力加剧岩体裂隙的起裂、扩展、贯通,导致岩体中应力场和损伤场的改变;而岩体应力的改变和岩体裂隙的损伤扩展,又导致裂隙岩体渗透特性变化,进而改变渗流场的分布。 本文重点研究了裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合过程,揭示了岩体裂隙在应力-损伤-渗流耦合状态下裂隙的起裂、扩展、贯通规律,探求了裂隙岩体在应力-损伤-渗流耦合状态下由于其裂隙的扩展贯通而导致破坏的机理,进而揭示了含水裂隙岩体失稳破坏的原因。该耦合理论在预防采矿工程中的矿井突水、水利水电工程中的大坝失稳破坏以及水下隧道工程突(涌)水等方面有着广泛的应用前景。 本文结合国家重点基础研究发展973计划项目(2007CB209402:矿井突水的动力学特征及控制因素)和山东省黄金集团相关科研项目的共同资助下开展理论和应用研究,主要开展的研究工作如下: (1)理论分析研究:将断裂力学和损伤力学相结合,对渗透水压作用下裂隙岩体的损伤断裂力学性质进行研究;探讨压剪、拉剪应力状态下及渗透水压力作用下裂隙岩体中张开型裂纹闭合、起裂、分支裂纹扩展、相邻裂纹间岩桥断裂破坏及贯穿等的规律;给出渗透水压力-压(拉)剪应力共同作用下岩石裂隙变化发展规律。 (2)力学试验研究:设计制作含预置裂纹圆柱体岩石试样(φ50mm×100mm)的模具,可根据需要制作单、双预置裂纹的类岩石试件;在原有2000KN伺服试验机设备的基础上,设计开发三轴室、水压加载系统和围压加载系统,改进后的试验装置可完成完整类岩石试件应力应变-渗透率试验和渗透水压-应力耦合作用下含预置裂隙岩石试件破坏过程的试验;进行含预置裂隙类岩石试件的常规单轴试验并使用声发射仪对试验过程进行监测,并用离散元软件PFC对单轴试验过程进行数值模拟;运用RFPA-flow模拟分析在渗透水压力作用下,含预置裂隙岩石的破坏过程,并与试验结果进行了对比,通过应力场和渗流场的图形显示观察到岩石试件中裂纹的萌生、扩展、贯通直至整个结构破裂的全过程。 (3)本构推导研究:研究拉、压剪应力及渗透水压力共同作用下,裂隙岩体的损伤演化特性;推导考虑渗透水压力作用的裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构关系方程和裂隙岩体损伤演化方程;建立应力-渗流-耦合作用下裂隙岩体渗透张量演化方程。 (4)物理模拟研究:以海下开采矿井突水灾害为研究目标,开发设计“矿山突水机理及渗流特性研究试验机”。采用重晶石粉、液体石蜡、固体石蜡和河沙等材料配置用于模拟流固耦合相似物理模型试验的非亲水性相似材料;以三山岛海下开采为工程实例,针对海下矿山开采的最小顶板安全厚度问题进行相似物理模拟试验研究;试验结果证明该试验系统的研制对于考虑渗流-应力耦合作用的深部开采承压突水的宏细观机制试验和理论研究具有重要的理论意义和实用价值。 (5)数值分析研究:推导出包含离散介质和拟连续介质的双重介质渗流应力耦合模型;详细介绍了有限元程序自动生成系统FEPG的原理、文件组成以及使用方法等。 根据裂隙节理调查数据,利用Monte-Carlo模拟技术生成岩体裂隙网络,通过VB编写程序将裂隙面控制点坐标导出,再用Ansys调用裂隙面控制点坐标文件,使用Ansys对整体裂隙岩体进行网格划分,然后将所建数值模型导入FLAC3D,运用FISH编写孔隙-裂隙岩体介质流固耦合分析计算程序,数值模拟的最终结果通过Tecplot软件输出。 (6)工程应用研究:编写SURPAC三维地质模型转化为FLAC3D数值计算模型的接口程序,实现SURPAC三维地质模型与数值模拟的耦合,使快速、便捷地建立较复杂的FLAC3D计算模型成为现实;然后运用FISH扩展建立了基于FLAC3D的裂隙岩体渗流应力耦合计算程序。后处理在TECPLOT和SURFER中完成,通过接口程序FLACTOTECPLOT.dat将FLAC3D计算结果导入TECPLOT软件进行后处理。此外,用FISH编制小程序实现数据的倒换至SURFER中,绘制孔隙水压力的等高线图形。


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