巖體水力劈裂實驗及計算模擬方法研究.pdf

1、巖體水力劈裂是裂隙巖體滲流—應(yīng)力耦合的一個方面，它主要反映的是在滲透水壓力的作用下，巖體的力學(xué)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)變化。隨著社會的發(fā)展，水利工程建設(shè)、油氣開采、地下核廢料儲存、地?zé)衢_采等越來越多的巖土工程都處于高水頭、大埋深的復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，使得巖體水力劈裂受到越來越多的關(guān)注。由于巖體水力劈裂的復(fù)雜性，至今人們對水力劈裂的發(fā)生機理、發(fā)生條件、發(fā)展過程以及判別方法等問題仍沒有很好地解決。本文以實驗研究為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬為手段，采用室內(nèi)實驗與數(shù)值模

2、擬相結(jié)合的研究方法，對巖體水力劈裂問題進行了研究，并將研究成果應(yīng)用于實際工程問題的分析中。本文主要從事研究的內(nèi)容與取得的成果如下： (1)綜述了國內(nèi)外對巖體水力劈裂方面的研究成果與主要發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上提出了本文重點研究的問題。借鑒前人的研究思想和研究方法，本文最終確立了以實驗研究為基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析的研究思路。 (2)開展水力劈裂實驗試樣的設(shè)計，并進行了水泥砂漿的材料力學(xué)特性參數(shù)測定試驗，著重測試了設(shè)計配合比下的水泥

3、砂漿的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比以及應(yīng)力～應(yīng)變曲線，為水泥砂漿的水力劈裂試驗的試樣材料力學(xué)特性描述提供了的依據(jù)。 (3)以水泥砂漿作為巖石的相似材料，進行了水力劈裂實驗方法設(shè)計。針對厚壁圓筒試件進行了9組近30個試樣的水力劈裂試驗研究。通過對試驗成果分析，尋找水力劈裂的破壞形式、水力劈裂臨界內(nèi)孔水壓力與試件破壞時應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系，重點探討了滲透孔隙水壓力對劈裂的影響機理，并總結(jié)提出了半經(jīng)驗關(guān)系。初步分析了實驗圍壓條件

4、、試件內(nèi)徑、加載路徑對水力劈裂的影響。 (4)引進虛擬接觸面單元作為預(yù)留的可能發(fā)生劈裂的單元，基于彈脆性力學(xué)理論，研制了相應(yīng)的不變網(wǎng)格水力劈裂開裂過程模擬算法，開發(fā)了三維巖體水力劈裂有限元計算分析程序。通過對試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較，驗證了計算模型和算法的正確性。 (5)將上述的研究成果應(yīng)用于烏龍山抽水蓄能電站的引水隧洞襯砌水力劈裂計算分析研究中。通過計算分析，對該引水隧洞工程在高水頭作用下的安全和穩(wěn)定性作出了評價，