裂隙岩体渗流场2损伤场耦合理论研究及工程应用

 博士学位论文摘要　以岩体结构控制论为基础, 把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面, 对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究, 具体工作有以下几个方面:(1) 从地质学、岩体力学、统计学的角度出发, 定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。(2) 基于Betti 能量互易定理, 系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制, 建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明:渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子, 增加岩体的柔度, 降低岩体强度, 对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。(3) 从岩体裂隙变形角度出发, 建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程, 从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形, 提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。(4) 以岩体结构力学为基础, 根据裂隙发育规模与工程尺度的关系, 建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比, 克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。(5) 针对岩土工程中大小裂隙共存的特点, 建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。(6) 将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中, 计算结果表明, 该模型具有较好的实用性与可靠性。     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

拱坝和坝肩岩体的力学和 渗流的耦合分析实例

以建筑在复杂岩基上的龙羊峡水电站重力拱坝和坝肩岩体的力学、渗流及其耦合分析为例，说明采用本文提出的导水断层和主干裂隙的离散介质和多组节理岩体的等效连续介质的混合模型求解复杂岩基的裂隙渗流场，采用等效连续介质模型和特殊的断层及软弱夹层的有限元相结合的方法求解复杂岩基的力学场，依据断层和多组节理岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系分析力学—渗流的耦合作用的模型、计算方法和程序是合理实用的     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

单裂隙水流对岩体裂隙法向刚度的影响研究

岩体边坡工程与地下工程稳定性主要依赖岩体中的节理、裂隙、软弱夹层等结构面的力学性态。基于岩体低渗透性与结构面导水性,采用广义双重介质模型,对孔隙空间建立非饱和渗流HM耦合方程。对饱水/干燥裂隙空间建立裂隙受压体积变化的HM耦合方程。通过考虑孔隙和裂隙界面处压力连续,实现两处模型在应力边界上的耦合。对开口裂隙、封闭裂隙、半开半闭裂隙岩体的非饱和渗流过程进行了数值模拟计算。由计算结果得知:裂隙的闭合程度影响裂隙水向孔隙消散,从而影响裂隙刚度;在正应力作用下,裂隙受压逐渐分段闭合,由于裂隙的不同位置具有不同的刚度特征,整条裂隙不具同步性,甚至由于裂隙面性质不同,刚度变化甚至出现反复性。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

岩体结构类型与水力学模型

 岩体水力学是一门研究岩体内一定温度条件下渗透力与应力相互作用关系及其耦合作用对岩体及岩体工程稳定性影响的交叉学科。为了准确描述岩体的水力学问题, 定义了有关名词。依据岩体的水力学特征, 把岩体的结构分为五类, 即: 准孔隙连续介质、裂隙网络介质、双重介质、岩溶管道网络介质以及岩溶溶隙- 管道介质。以岩体结构类型、达西定律、立方定律等为基础, 推导了在变温度和变应力条件下的孔隙型、裂隙型及管道型岩体的渗透定理, 并将岩体渗流场、温度场与应力场耦合模型分为两大类, 即: 集中参数型模型和分布参数型模型。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。