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裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究

作　者: 庄宁
导　师: 朱合华；崔茂玉
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 裂隙岩体渗流应力耦合颗粒流理论裂纹扩展
分类号: TU452
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

裂隙岩体中存在着大量的裂隙，这些裂隙的存在形成了它不同于其它均匀介质的复杂的力学特性和渗流特性。运用传统的渗流理论来分析岩体裂隙中水的渗流，难以反映渗流应力耦合过程中裂隙的萌生扩展过程，因此采用新的理论和方法来研究裂隙岩体渗流应力耦合特性，已成为岩石水力学研究中的热点和难点之一。研究裂隙岩体的渗流耦合过程，揭示其在渗流应力耦合状态下裂隙的扩展萌生规律，探求裂隙岩体在渗流耦合状态下由于其裂隙的扩展贯通而导致破坏的机理，了解裂隙岩体失稳破坏的原因。对于提高岩土工程设计水平，评价工程安全性能等，均有重要的理论意义和工程实用价值。本文以颗粒流理论为基础，运用PFC软件从细观力学角度研究了渗流耦合过程中裂隙岩体中裂纹的扩展萌生规律，并以此为基础运用宏观断裂力学等理论推导了渗流耦合过程中裂纹的扩展萌生公式。然后将裂纹的扩展公式代入渗透系数表达式，作为渗流场应力场之间耦合的桥梁，建立裂隙岩体的渗流应力耦合数学计算模型。主要工作如下： 1、运用基于颗粒流理论的PFC软件从细观上对裂隙岩体在无水渗流情况下裂纹的扩展进行了模拟，重点分析了不同几何位置以及加载方式下两裂纹的扩展机制。并和实际室内试验相比较，两者结果较接近，以此验证了PFC软件模拟裂隙扩展的可行性。同时分析了PFC软件细观参数对宏观试验结果的影响。 2、从细观上模拟了裂隙岩体中单条斜裂纹在渗流应力耦合状态下的扩展规律，分析不同水压力和侧压力对单条斜裂纹的影响。然后重点对裂隙岩体中两裂纹的扩展机制进行了研究，着重分析不同水压力对两裂纹扩展模式的影响。同时通过工程实例，数值模拟了隧道开挖过程中有水压和无水压状态下，隧道周围裂纹扩展的规律。 3、以第二点为基础，运用断裂力学等宏观力学理论，推导了岩体中裂纹的扩展贯通的理论公式，得出裂纹在渗流耦合下的裂纹扩展长度公式，并代入渗透系数与裂纹长度的关系式，以该公式作为渗流场和应力场之间的耦合桥梁，提出本文的裂隙岩体渗流应力耦合的数学模型，并提出了宏观数值实现方案。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-34
  1.1 选题背景和研究意义  13-14
  1.2 裂隙岩体渗流耦合特点  14
  1.3 裂隙岩体渗流耦合研究进展  14-30
    1.3.1 理论研究进展  15-20
      1.3.1.1 力学理论研究  15-18
      1.3.1.2 裂隙岩体渗流数学模型研究  18-20
    1.3.2 数值计算研究进展  20-26
      1.3.2.1 渗流场和应力场的数值模拟方法  21-23
      1.3.2.2 材料断裂与裂纹扩展的数值模拟方法  23-26
    1.3.3 试验研究进展  26-30
      1.3.3.1 裂隙渗流试验研究进展  27-28
      1.3.3.2 裂隙扩展试验研究进展  28-30
  1.4 存在的问题及本文主要研究内容  30-32
    1.4.1 裂隙岩体裂纹扩展破坏的PFC细观模拟研究  31
    1.4.2 裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展破坏的PFC细观模拟研究  31
    1.4.3 渗流应力耦合状态下裂纹扩展公式以及耦合模型的建立  31-32
  1.5 拟解决的关键问题  32
  1.6 篇章结构  32
  1.7 文章创新点  32-33
  1.8 本章小结  33-34
第2章裂隙岩体试样裂纹扩展破坏机制的PFC细观模拟  34-59
  2.1 裂隙岩体研究方法与特征  34-35
    2.1.2 结构细观研究层次  34-35
  2.2 裂纹扩展的颗粒流理论细观模拟  35-47
    2.2.1 PFC理论基础  37-47
      2.2.1.1 PFC理论基本假设  37-38
      2.2.1.2 力—位移定律  38-41
      2.2.1.3 运动定律  41-43
      2.2.1.4 颗粒接触模型  43-45
      2.2.1.5 颗粒流模型中的裂纹定义与表示  45-46
      2.2.1.6 颗粒流PFC模拟过程  46-47
  2.3 裂隙岩体试样中裂纹的PFC细观模拟  47-53
    2.3.1 室内试验试件参数及裂纹几何位置  47-48
    2.3.2 室内试验加载装置及其测试系统  48-49
    2.3.3 PFC模型试验模拟  49-53
      2.3.3.1 颗粒流模型的建立  49-51
      2.3.3.2 颗粒流数值模拟结果  51-53
  2.4 PFC细观力学参数与宏观力学响应之间的关系  53-58
    2.4.1 岩体细观力学参数的选取  53-55
      2.4.1.1 细观力学参数选取步骤  53-54
      2.4.1.2 颗粒细观参数确定材料宏观参数弹性模量、泊松比  54-55
      2.4.1.3 颗粒细观参数确定材料宏观峰值强度  55
      2.4.1.4 颗粒细观参数确定材料宏初裂强度  55
    2.4.2 岩体细观力学参数与宏观参数之间的关系  55-58
      2.4.2.1 颗粒的接触刚度对宏观应力—应变曲线的影响  56
      2.4.2.2 颗粒的连接强度对宏观应力—应变曲线的影响  56-57
      2.4.2.3 颗粒摩擦系数对宏观应力—应变曲线的影响  57-58
  2.5 本章小结  58-59
第3章裂隙岩体渗流耦合过程中裂纹扩展细观数值模拟  59-88
  3.1 PFC渗流场应力场耦合模拟原理  59-62
    3.1.1 流动方程  60-61
    3.1.2 水压力方程  61-62
    3.1.3 流固耦合方式  62
    3.1.4 流固耦合求解方法  62
  3.2 裂隙岩体PFC细观渗流应力耦合模拟  62-79
    3.2.1 PFC数值模型及其参数  62-64
    3.2.2 单条斜裂纹渗流耦合状态下的扩展机制模拟  64-72
      3.2.2.1 不同侧压力对单条斜裂纹裂纹扩展规律的影响  65-68
      3.2.2.2 不同水压力对单条斜裂纹扩展规律的影响  68-72
    3.2.3 两裂纹在渗流耦合状态下的扩展机制模拟  72-79
      3.2.3.1 两不重叠裂纹扩展模拟  73-75
      3.2.3.2 两共线裂纹扩展模拟  75-77
      3.2.3.3 重叠两裂纹扩展模拟  77-79
  3.3 隧道工程渗流应力耦合状态下裂纹扩展模拟  79-86
    3.3.1 隧道工程数值试验模型建立  80-82
    3.3.2 无水压力隧道开挖数值模拟  82-84
    3.3.3 有水压力隧道开挖数值模拟  84-86
  3.4 本章小结  86-88
第4章渗流场应力场耦合的断裂损伤模型  88-138
  4.1 裂纹起裂判据  89-93
    4.1.1 单条受拉和纯剪应力状态下裂纹的起裂准则  89-90
    4.1.2 拉剪应力状态下单条斜裂纹起裂准则  90-91
    4.1.3 压剪应力状态下单条斜裂纹起裂准则  91-93
  4.2 裂纹扩展方向  93
  4.3 水压力作用下裂隙岩体变形特征  93-106
    4.3.1 水压力作用下单条拉剪裂纹的扩展长度  94-95
    4.3.2 水压力作用下单条压剪裂纹的扩展长度  95-99
    4.3.3 水压力作用下两裂纹的扩展长度  99-106
  4.4 两裂纹渗流耦合状态下的扩展与贯通  106-117
    4.4.1 共线裂纹的扩展与贯通  106-109
    4.4.2 不重叠两裂纹翼裂纹形式的扩展与贯通  109-113
    4.4.3 不重叠两裂纹张拉裂纹形式的扩展与贯通  113-115
    4.4.4 两重叠裂纹的扩展与贯通  115-117
  4.5 裂隙岩体渗流应力耦合模型的研究  117-132
    4.5.1 渗流场应力场耦合关系  117-119
      4.5.1.1 渗透系数与正应力的耦合关系  117-118
      4.5.1.2 渗透系数与剪应力的耦合关系  118-119
    4.5.2 裂隙岩体渗透系数的确定  119-123
    4.5.3 渗流应力耦合状态下裂纹扩展后渗透系数的变化  123-126
    4.5.4 裂隙岩体渗流场应力场耦合的断裂损伤模型建立  126-132
      4.5.4.1 裂隙岩体等效连续介质渗流场模型  126-127
      4.5.4.2 裂隙岩体等效连续介质应力场模型  127-130
      4.5.4.3 裂隙岩体渗流场应力场耦合的断裂损伤模型  130-131
      4.5.4.4 裂隙岩体渗流场应力场耦合的断裂损伤模型适用条件  131-132
  4.6 渗流耦合过程中裂纹扩展的断裂损伤模型宏观数值实现方案  132-137
    4.6.1 模型无网格加辽金法数值实现基本原理  133-137
      4.6.1.1 插值函数  133-134
      4.6.1.2 渗流场的计算  134-136
      4.6.1.3 应力场的计算  136
      4.6.1.2 宏观裂纹数值模拟  136-137
  4.7 本章小结  137-138
第5章结论与展望  138-141
  5.1 主要研究成果与结论  138-139
  5.2 进一步工作与展望  139-141
致谢  141-142
参考文献  142-153
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  153

裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究

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