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无网格法数值模拟岩体单裂隙水力劈裂

苏利勋  
【摘要】: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一应力藕合研究的一个分支,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。本文鉴于此,利用无网格法模拟开裂的优越性,开展岩体水力劈裂的无网格法模拟研究。 首先,本文对无网格法的基本原理,移动最小二乘法进行了研究,在此基础上,推导了无网格法的基本方程。实例表明,无网格法具有前后处理简单、计算精度高的优点。 其次,结合断裂力学理论和岩体的本身的力学特性,分析了岩体裂纹尖端区域的应力场和裂纹开裂扩展准则,进一步分析了水力劈裂开裂机理。 然后,假定岩体水力劈裂过程裂缝形态为椭圆形,从流体质量守恒和动量守恒定律出发,采用控制体法推导出裂纹流体运动质量守恒定律的具体形式、缝内水压分布微分方程,并得到在裂纹扩展稳定状态某时刻缝内压力计算式。从定性和定量两个方面与已有实验的结果比较说明,提出的理论计算公式反映的规律性是正确的。 最后,在认识水力劈裂开裂机理的基础上,针对Ⅰ型裂纹使用Hillerborg粘滞区裂纹模型和裂纹扩展稳定状态某时刻缝内压力计算式,编制模拟岩体水力劈裂的无网格法程序。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。


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