裂隙岩体渗流应力耦合特性研究

湖北工业大学硕士学位论文裂隙岩体渗流-应力耦合特性研究姓名：龚爱娥申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：胡其志20080501裂隙岩体渗流-应力耦合特性研究作者：龚爱娥学位授予单位：湖北工业大学相似文献(10条)1.期刊论文李文昌.LIWenchang试论矿井突(涌)水系统及其研究方法-华北科技学院学报2008,5(2)为有效预测预报突(涌)水事故、有针对性实施防治水方案,必须建立其理论体系并探索理论与实践统一的研究方法.按照系统论的观点,采矿过程中的突(涌)水,其要素具有特定功能,且相互联系的有机整体具有系统的五个基本特征,因此可以构成完整突(涌)水系统,且属于具有自组织机能的岩体结构系统与地下工程、地下水干扰系统相互作用下的运动系统.应用唯物辩证法的认识论和方法论,从自组织思想和本质安全化认识观点出发,以岩体结构控制论为基础,采用现代岩体力学、岩体水力学的理论为指导,将岩体结构、地下水、地质工程纳入到突水系统的范畴进行统一研究,是研究突(涌)水系统的思想方法;要实现上述思想,应采用如下具体技术路线:用岩体力学分析原理及方法建立地质体的本构模型,采取力学分析和数值模拟方法探讨系统的整体功能,揭示突水机理,概化突水模式,判别突水可能性;用岩体水力学的分析原理与方法建立地下水运动系统模型,应用耦合技术,建立流(地下水)～固(岩体结构)耦合突水系统模型,预测突(涌)水量.2.学位论文刘燕锋岩体水力劈裂基本理论与方法初步研究2006岩体水力劈裂是20世纪50年代石油、天然气行业推出的一项新技术。水力劈裂会带来工程构筑物的破坏，甚至造成灾难，如矿井突水、深埋地下洞室施工中的涌水，高坝及抽水蓄能电站坝体和坝基水力劈裂、高边坡在地下水渗流作用下的诱导滑动等。这些都属于水力劈裂问题。因此认识水力劈裂的机理，避免或减小其危害是一个值得研究的课题。本文以已有的水力劈裂理论为基础，以天荒坪抽水蓄能电站高压渗透试验结果为依据，用岩石力学、流体力学、地下水动力学及线弹性断裂力学的理论及方法来研究水力劈裂过程中裂隙的发生、发展过程，以及在该过程中裂隙的渗透性规律。从而得出以下结论：(1)在弹塑性力学的范畴内，提出基于应变的岩体破坏模式，并探讨了判别准则，认为岩体的破坏具有拉和剪两种形式。由于具体的承载条件和约束条件不同，岩体破坏时，可能是以某一种(拉或剪)形式破坏，也可能以两种破坏形式并存发生。通过实例计算认为裂隙的扩展一般属于II型裂纹问题。(2)对高压渗透试验结果进行了分析，根据不同的P～Q关系曲线得到，呈相对闭合的裂隙明显存在临界水头压力，而具有一定开度的裂隙则不然；随着水头压力的增大，岩体的渗流性态渐趋敏感；而在较高水头压力的持续作用下，岩体的允许水力坡降值则有减小之势。(3)通过对水力劈裂过程中裂隙开度变化的灵敏度分析得出，裂隙开度的增量Δb*分别与σ3、水压P呈现很好的线性关系，与σ1、裂隙基本摩擦角ψb、β(裂纹长轴方向与最大主应力的夹角)的线性关系不明显。(4)通过PKN和KGD模型对水力劈裂过程的分析得出，在裂隙起劈阶段模型具有一定的精度，而在裂隙生长阶段，应用模型的计算结果与实际不相符合。3.学位论文陆晓敏基于块体单元法的裂隙岩体数值模拟及其应用2006本文在详细介绍块体单元法理论的基础上，对其进行了改进和功能扩展。在位移模式中，不仅考虑块体的刚体位移，将块体的常应变也作为基本未知量，从而使计算能够考虑块体的弹塑性，增加了计算的精度；推导了分析温度场的块体单元法的有关方程和处理温度应力的公式；在块体的接触面内引入岩体粘弹塑性流变模型，来分析裂隙岩体的流变问题；建立了裂隙岩体变形与裂隙渗流耦合分析模型；为充分发挥块体元和有限元各自的优点，建立了有限元与块体元混合分析模型；采用离散的锚杆单元和引入壳单元，建立了喷锚岩体力学分析实用的块体单元法模型；并将这些理论应用于实际工程问题，利用基于块体单元法的极限分析，探讨了如地下洞室群、边坡、重力坝和拱坝及坝肩岩体等工程的稳定性问题，取得了不少对实际工程具有很好参考意义的成果。本文在以下几个方面的工作有所创意：在理论上，本文引入块体常应变来考虑块体的变形，能提高计算精度。推导了块体单元法求解温度场的支配方程及分析温度应力的有关公式，编制了考虑块体接触面材料非线性的块体单元法计算机程序。就数值模拟裂隙岩体的流变时，在块体单元的接触面内引入Bingham流变模型，推到了有关公式，研制了计算机程序。在工程应用方面，为发挥有限元与块体元各自的优点，建立了块体元与有限元混合分析的模型；为考虑地下水的作用，建立了块体单元法的裂隙渗流与岩体变形耦合分析的模型；在模拟锚喷支护时，引入壳单元建立实用的加固力学模型。对以上模型研制了计算机程序，算例表明是可行的。在岩体工程稳定和安全度分析方面，研究了基于块体单元法的数值极限分析的方法，分析了边坡、重力坝、地下洞室围岩稳定等工程问题。4.期刊论文张成渝洛阳龙门石窟水的赋存对岩体稳定性的影响-北京大学学报(自然科学版)2003,39(6)由于地下水的发育和大量溶洞的存在,龙门石窟与国内其他石窟相比,有着典型的水文环境.采用岩体力学中的基本理论和方法--库仑准则和摩尔圆,评价了水的赋存对洞窟立壁岩体稳定性的影响.通过计算饱水前后节理面滑动临界剪切强度的降低和在应力摩尔圆的直观图示可以得到,边坡卸荷裂隙中水的存在明显降低了岩体的力学强度,是诱发洞窟岩体失稳事件产生的活跃因素.5.学位论文许光祥裂隙岩体渗流与卸荷力学相互作用及裂隙排水研究2001地下水对边坡等岩体工程的稳定具有巨大的影响,裂隙岩体渗流主要体现为裂隙渗流,因此,岩体水力学目前研究的主要方向是裂隙渗流的基本规律、计算模型及其与应力应变的耦合本构关系等.因开挖卸荷引起的岩体变形损伤、节理连通率和张开度增大对裂隙渗流的影响,以及渗流场的变化反过来对应力场的作用,这种称之为水流与卸荷力学的相互作用研究还是岩体水力学的新领域.该文在充分认识了国内外岩体渗流研究的发展及研究现状的基础上,结合现场观测、模型试验、理论研究及数据分析等多种方法,对裂隙岩体的水力几何参数、计算模型、基本渗流规律、裂隙排水、岩体卸荷力学及其与渗流的相互作用等多方面进行了研究,取得了如下一些主要成果.6.学位论文蒋峰锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究2006改革开放以来，我国国民经济迅猛发展，党和国家大力发展能源、交通等基础设施建设，地下空间的开发利用前景十分广阔。水电工程由于位处深山峡谷，大多采用地下厂房型式，地下厂房洞室群洞室密集，纵横交错，主体洞室边墙高、跨度大，既要解决众多洞室在开挖过程中的围岩稳定问题，还要确保其长期安全稳定运行。由于地下工程具有围岩力学性质和地质结构复杂、初始地应力、地下水以及施工过程不确定等特点，目前还没有公认的围岩稳定分析方法和安全评判标准。有限单元法对于解决非均质各向异性和以非线为主的岩石介质具有良好的适应性，能处理具有复杂结构、复杂边界及荷载条件的问题，已成为现代岩土工程计算的主流方法。锦屏一级水电站位于四川省凉山州境内，是雅砻江干流上的重要梯级电站。该工程采用地下厂房型式，共安装6台单机容量为600MW的水轮发电机组，地下厂房洞室群规模巨大，地质条件复杂，初始地应力水平高，围岩稳定问题较突出。本文结合锦屏一级工程实际，采用弹塑性有限元法，模拟实际地形地质条件，对地下厂区初始地应力场进行了反演，对地下厂房洞室群施工开挖过程进行仿真模拟，关注地下厂房洞室群开挖过程中的位移、应力和塑性区的发展变化，对围岩整体和局部稳定特性进行分析评价。本文取得的研究成果主要包括：(1)厂区初始地应力场的实测和反演计算成果表明，该初始地应力场是以构造应力为主并叠加自重应力形成的高地应力场，构造应力作用方向主要是横河向和竖向；(2)揭示了该地下厂房洞室群围岩的整体稳定特性，目前的系统喷锚支护参数基本能满足整体稳定要求。在高地应力、断层切割等多种不利条件下，开挖完成后，厂房高边墙中下部破坏区深度较大，主厂房和主变室之间岩柱破坏区接近贯通，尾调室中下部与尾水管交接处破坏较严重，应加强这些部位的支护；(3)由于安装间段受fl3断层和裂隙密集带影响，围岩稳定问题突出，采用“喷锚支护+钢筋混凝土衬砌”的复合式支护方案可基本解决此部位的围岩稳定问题，但应适当加长安装间顶拱锚杆长度，减小边墙锚索间排距，并在边墙中下部增加锚筋桩；(4)采用残余荷载系数法对安装间段混凝土衬砌进行了内力计算分析并初步确定了配筋率。7.期刊论文秦岭特长隧道岩体裂隙水涌水量计算的双场耦合数值模拟研究通过铁道部技术鉴定-西南交通大学学报2000,35(6)由西南交通大学土木学院主持研究的铁道部科技研究开发计划项目：秦岭特长隧道岩体裂隙水涌水量计算的双场耦合数值模拟研究，于2000年7月28日通过铁道部科技司组织的技术鉴定。这一成果具有重要的理论意义和实用价值，在理论和方法上具有创新：（1）引入岩体力学理论，首次提出大型隧道工程地下水涌水量计算的特殊双场耦合理论，建立了特长隧道地下水涌水量计算的双场耦合数字模型，进行双场耦合的数值模拟，提高了隧道工程岩体裂隙水涌水量计算地精度。（2）提出了一套在渗流场与应力场耦合条件下，隧道裂隙岩体涌水量预测研究的工作程式，填补了该研究领域的空白。（3）应用环境同位素水文地球化学技术，系统研究了在隧道工程的水文地质条件下，解决隧道工程水文地质概念建模的问题，对指导秦岭隧道设计施工起到了重大的作用。学报编缉部8.学位论文崔波裂隙岩体渗流应力耦合特性研究2006地下水是影响岩体力学性质和岩石力学作用的重要因素之一。因为它在岩体力学性质形成上是一种易变因素，所以它的力学作用结果并不容易确定。据统计，超过90％的岩体工程的失事都与地下水的活动有关，故在岩体力学研究中必须充分重视水与岩体的耦合力学效应。本文在大量文献研究的基础上推导出用孔隙度表达岩体有效应力的方式，并将它代入平衡微分方程，得出用孔隙度表达的平衡微分方程，在一定程度上丰富了岩石水力学的研究。基于弹性理论和渗流理论，采用等效连续介质模型，运用有限元方法，对耦合程度数值模拟。由于实际工程渗流场和应力场在一定的条件下趋于平衡，所以在编程时要求确保结果具有很好的收敛性。由于地应力和地下水活动的复杂性和工程中的其他不确定性，采用线性分析很难保证较好的反映实际情况。论文采用有限元计算并基于具有友好的图形用户界面和完全交互式的前后处理功能的ANSYS程序，对某一具体工程实例进行了模拟分析，得出开挖前后地应力变化情况，经过计算所得结果是接近实际的。本文充分考虑地下水和岩土骨架之间的相互作用，参照前面建立的地下水流固耦合渗流数学模型，根据有限元原理得出其计算方法，并给出耦合求解方法。对于真实模拟地下水渗流状况具有重要的意义。9.学位论文李涛裂隙岩体渗流与应力耦合数值分析及工程应用2005随着我国民经济的飞速发展，土木工程的规模日益增大，工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定是许多工程学科面临的共同问题。据统计，90﹪以上的岩石边坡破坏与地下水渗透力有关，60﹪的矿井事故与地下水的作用有关，30～40﹪的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。可见，裂隙岩体渗流与应力耦合分析是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂的课题，近年来，岩体渗流与应力(应变)耦合作用研究已成为岩体力学领域的热点之一。描述裂隙水流运动规律的立方定律是建立在平行板裂隙模型基础上得出的，本文以岩体水力学为基础，推导单裂隙非稳定流和变隙宽锲形裂隙渗流计算公式，提出单裂隙渗流系统对裂隙壁的剪切作用并给出了剪切力的计算公式。综述了裂隙岩体渗流分析与力学分析的各类数学模型，对于非双重介质模型—等效连续介质模型和离散裂隙网络模型分别给出了它们的有限元模拟公式，还进一步给出了结合上述两种模型优点的适用于复杂裂隙岩体的耦合统一模型。裂隙岩体渗流与应力的耦合作用研究，把岩体视为具有各向异性本构关系的等效连续模型，通过迭代的方法实现。即先不考虑耦合作用，进行力学、渗流计算，计算出各个节点应力、渗流力，然后把渗流力以节点荷