裂隙岩体渗流-弹塑性应力耦合分析

引入能反映裂隙剪胀特性的非线性弹塑性本构模型 ,从而考虑了裂隙非线性法向变形和剪胀对裂隙隙宽的影响 ,更实际地反映了裂隙变形对岩体渗透性的影响。给出的算例表明所提出的方法是可信的     

复杂裂隙岩体水–力耦合模型及溶质运移模拟

 在刚块弹簧法中引入非线性的裂隙本构关系,同时考虑裂隙法向的非线性应力变形关系、切向的剪切滑动以及剪胀效应,使得该方法可以较为真实地模拟裂隙开度在复杂应力作用下的变化。结合离散裂隙网络方法,建立采用隐式求解的复杂裂隙岩体的水–力耦合模型。该模型显式考虑裂隙存在,能很好地模拟裂隙网络在应力和渗流作用下的演化特征。在水力耦合达到平衡状态后,进行溶质运移分析,采用粒子追踪法模拟溶质在裂隙网络中随渗流的运移过程。根据所提出的模型编制相应程序,对DECOVALEX项目中的典型算例进行分析,研究不同应力条件对渗流以及溶质运移结果的影响以及不同应力条件下水力耦合的控制性机制。研究发现,低应力比条件和高应力比条件下对水力耦合作用起控制作用的分别是法向应力变形关系和剪胀效应。通过对比分析,验证模型的合理性。在此基础上,讨论高水头条件下考虑水力耦合效应的必要性。     

裂隙岩体水力等效连续介质存在性的评价

初步建立了裂隙岩体水力等续介质是否存在的二维判别方法。一方面证明了水力等效连介质中渗透作用运动效果等的必要性;另一方面建立了半理论－半数值模拟试验方法,讨论裂隙岩体是否存在渗透作用力变形效果和流量两者同时等效意义下的连续介质。最后给出了一个算例。     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

考虑软体和硬体开度的岩体单裂隙渗流与法向应力耦合模型研究

岩体裂隙渗流与法向应力耦合机理是裂隙岩体水力耦合分析的重要基础。岩体裂隙法向应力与渗透性曲线呈现出的非线性变化特征随法向应力增加往往有显著差别：低应力条件下裂隙渗透性急剧下降，而高应力条件下裂隙渗透性减少较为缓慢。目前，传统数学模型难以描述低应力和高应力条件下裂隙渗透性变化的差异性。因此，基于双弹簧Hooke模型(two-part Hooke’s model，简称TPHM)，将裂隙开度分为硬体开度和软体开度2个部分，分别考虑低应力和高应力条件下软体开度与硬体开度对岩体裂隙变形与渗流特性的影响，建立岩体裂隙渗流与法向应力耦合数学方程。采用3组加载条件下的花岗岩裂隙水力耦合试验数据验证理论模型，结果表明理论模型与实验数据基本一致，且优于负指数模型、幂函数模型以及对数模型，指出了软体和硬体开度定量描述岩体裂隙非线性水力耦合特性的有效性，揭示了低应力状态下软体开度对岩体裂隙渗透性变化的主要控制作用。     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

裂隙岩体高压渗透特性研究

随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水-岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。     

裂隙岩体的水力劈裂分析

随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、矿井采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多岩体工程稳定性研究者的关注。本文主要研究裂隙岩体的材料和力学特性以及裂隙岩体的数值模型与数值分析,并通过工程实例提出了作者的见解;最后展望了水力劈裂的前景和提出几个重要的待解决问题。     

基于刚体弹簧–等效离散裂隙网络耦合方法的水压致裂数值模型

提出一种模拟二维非稳定渗流过程的等效离散裂隙网络模型。在此基础上,结合改进刚体弹簧方法,通过引入考虑断裂能的渐进拉裂破坏准则,建立一种新的水压致裂过程数值计算模型。应力、变形、裂隙扩展过程计算采用改进刚体弹簧方法,非稳定渗流计算采用等效离散裂隙网络模型。为模拟等效的宏观渗透特性,给出细观渗流参数的确定方法,通过与一维非稳定渗流解析解的对比,验证等效离散裂隙网络模型的适用性。给出改进弹簧方法和等效离散裂隙网络水力耦合模型的计算流程,通过与弹性稳定流条件下厚壁圆筒的解析解对比,验证弹性稳定流条件下水力耦合计算格式的正确性。通过厚壁圆筒水压致裂算例验证所给模型模拟水压致裂过程的能力。与同类格子模型的对比,证明该模型的优越性。     

基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型及影响因素分析

含水率变化时膨胀土湿胀干缩引起裂隙开展,裂隙的形态特征影响着膨胀土强度、渗透及变形性能。基于弹性力学理论,采用湿变量代替基质吸力来研究膨胀土的应力和变形特性,推导考虑湿变量的膨胀土湿变应力解析解;结合静力平衡条件和饱和土抗剪强度理论,建立基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型,获得脱湿条件下膨胀土初始裂隙深度、间距和宽度的定量表达式;通过裂隙开展试验结果与模型计算结果对比分析,验证模型的合理性;最后对裂隙间距和宽度与土体弹性模量、收缩系数、湿变分布系数和凝聚力的关系进行了敏感性分析。     

Formulation of strain-dependent hydraulic conductivity for a fractured rock mass

By characterizing rock masses as anisotropic continua with one or multiple sets of critically oriented fractures, a methodology is developed in this paper to address the change in hydraulic conductivity resulted from engineering disturbance, material nonlinearity and anisotropy. An equivalent elastic–perfectly plastic constitutive model with non-associated flow rule and mobilized dilatancy is developed to describe the global nonlinear response of the rockmass under complex loading conditions. By separating the deformation of fractures from that of the equivalent medium, a strain-dependent hydraulic conductivity tensor is formulated. This not only considers the normal compressive deformation of the fractures, but also and more importantly, integrates the effect of material nonlinearity and post-peak shear dilatancy. Using this methodology, a closed-form solution is derived to describe the hydraulic behavior of a single fracture during combined normal and shear loading processes. The closed-form solution is validated by an existing coupled shear-flow test under wide ranges of normal and shear loads. Numerical simulations are performed to investigate the changes in hydraulic conductivities of a cubic block of fractured rock mass under triaxial compression and shear loading, as well as a circular underground excavation in a biaxial stress field at the Stripa mine, Sweden. The simulation results agree well with the in-situ experimental observations and an existing elastic strain-dependent analytical solution, respectively. The evaluation results clearly demonstrate that the proposed model is capable of predicting the changes in hydraulic properties of fractured rock masses under loading or excavation.     

循环荷载下岩体结构面本构关系与积分算法研究

地下结构中广泛存在的各种不连续面是影响岩体工程力学特性的重要因素,研究结构面在循环荷载作用下的力学行为具有重要的工程意义。基于非关联塑性理论,同时定义加载剪胀段和反向剪缩段,建立了岩体结构面剪胀与塑性耦合本构关系;从结构面的基本损伤机制出发,基于拉、剪分离的思路,建立了一类基于能量原理的岩体结构面拉、剪损伤本构模型,该模型基于有效应力空间塑性力学基本原理,定义了岩体结构面拉、剪塑性Helmholtz自由能分量及损伤能释放率,建立了岩体结构面拉、剪损伤破坏准则。针对结构面在循环荷载作用下的强非线性问题,引入算子分解的思想,将弹塑性演化与损伤演化过程分开进行求解,提出了结构面弹塑性损伤本构关系的混合积分算法。分别进行了岩体结构面直剪和循环剪切试验的数值仿真,计算结果与模型试验基本一致,表明该模型在模拟非连续岩体复杂变形方面是合理有效的。     

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。     

岩石节理剪切过程中应力与渗流特性的数值模拟

 岩石节理剪切过程中应力与渗流特性受节理法向条件的影响很大。在岩石节理表面形状三维数值化表达的基础上,首先建立岩石节理剪切过程中力学与渗流的计算模型;接着,应用GIS技术,模拟分析不同法向条件(固定应力、固定刚度)下节理的剪切过程,获得节理剪切过程中应力与渗流特性的变化规律。结果表明,法向应力、裂隙张开度、渗透系数均随着剪切位移的增加而逐渐增加,整个剪切过程渗透系数增加了两个量级左右;而剪应力的变化却受法向条件的影响,剪应力在出现峰值后快速下降,而后固定应力条件下剪应力很快趋于一个稳定的值,而固定刚度条件下剪应力却又缓慢上升。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

二维应力作用下岩石单裂隙渗流规律的实验研究

在对人工充填砂裂进行剪切实验的基础上，分析了剪应力和法向有效应力作用下裂隙岩石的渗流特性，并提出了二维应力作用下裂隙岩石渗流模型，即剪应力和法向有效应力耦合作用下的渗流公式。     

法向应力和水压力作用下岩石单裂隙水力耦合模型

 为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力共同作用下的非线性本构方程,同时通过裂隙渗流的“立方定理”得到渗流流速与裂隙变形的关系以及裂隙法向应力作用下的水力耦合模型。模型中包含的4个参数均有其物理意义,并且可以通过裂隙力学压缩试验和渗流试验结果确定。与经典的太沙基有效应力原理不同,该模型中Biot有效应力系数是裂隙位移的函数,强调了不同位移状态下水压力作用效果的不同,突出了孔隙水压力与裂隙变形之间的相互影响。最后,针对不同孔隙水压力下裂隙渗流流速随法向应力变化的试验数据,用该模型对试验结果进行预测,初步证实该模型的准确性和适用性。