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裂隙表面几何形态对裂隙介质力学、水力学特性的影响规律研究

张鹏  
【摘要】: 单裂隙介质的力学、水力学、水-力耦合问题是岩体工程中的基本科学问题,不同尺度条件下裂隙介质有着不同的工程特性,在表征体元(RVE)尺度下裂隙的力学、渗流与水-力耦合特性主要受裂隙表面几何形态影响,其工程性质与断层、节理等长大裂隙有明显不同。本论文试图从对裂隙的三维几何形态进行细观离散化入手,利用随机分形函数描述裂隙介质细观几何形态,通过修正三维粗糙度表征理论提出了3个参数表征裂隙面粗糙性,探索研究了裂隙粗糙度对RVE尺度裂隙的力学与渗流特性以及水-力耦合机理与关系的影响规律。本文的主要工作如下: 1.利用随机分形函数的分形变量λ、D分别描述几何形态的一级起伏度与高次起伏度,表征裂隙介质细观几何形态与细观几何参量;在修正三维粗糙度表征理论中缺乏裂隙几何形态与力学联系的基础上,提出了分别表征裂隙介质的平均倾斜角、有效倾斜角、倾斜角的不均匀系数的三维表面粗糙度参数JRC、三维剪切方向的平均倾斜角θ'_s,表观各项异性系数k'_α;分析探讨了粗糙度与分形参数的关系以及裂隙细观隙宽分布与裂隙粗糙度的关系。 2.基于细观变形机制,在裂隙介质三维几何形态细观离散化表征的基础上,定义了裂隙介质的细观机械隙宽,并将裂隙介质的变形过程简化假定为一系列裂隙离散细观点的两棱锥顶点接触变形行为。在假定细观变形行为方式的基础上,推导了裂隙介质在弹性条件下的细观机械隙宽与细观法向变形、剪切变形的关系;提出了基于裂隙细观变形机理的宏观力学行为的数值模拟方法,并运用本模拟方法研究了粗糙度对裂隙介质的法向变形、剪胀剪切变形、不剪胀剪切变形力学性质的影响。 3.将裂隙介质的渗流过程假定为水在相互连通的一系列细观水力隙宽不等的有限长光滑平板裂隙中流动,提出了基于裂隙细观渗流模型的宏观渗流过程的数值模拟方法。并应用本模型研究了不同粗糙度裂隙在不同闭合面积比下对裂隙渗流中水力梯度、流量、与流线矢量场的影响规律。 4.运用本文提出的基于裂隙细观力学与渗流模型的宏观变形与渗流过程的数值模拟方法,进行了RVE尺度下裂隙介质不同粗糙度下裂隙介质水-力耦合机理数值试验研究。提出了法向变形、不同形式的剪切变形下水-力耦合的规律。通过基于细观变形与渗流机理的数值试验成果,反推表征裂隙宏观力学与渗流特性的综合机械隙宽与综合水力隙宽,结合裂隙介质水-力耦合数值试验成果拟合,建立了裂隙法向变形、剪胀剪切、不剪胀剪切过程的水-力耦合中综合机械隙宽、综合水力隙宽与粗糙度的关系公式。


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