岩体水力劈裂机理试验及数值模拟研究

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岩体水力劈裂机理试验及数值模拟研究

谢兴华

(南京水利科学研究院水工所，江苏南京 210024)

博士学位论文摘要：自然岩体由于本身的结构不确定性，使得对其力学效应和渗透性的研究遇到巨大困难。在研究工程区域的岩体稳定问题时，规模巨大的断层等构造可以具体描述，但是大量的小规模构造难以具体描述。正是这些小规模构造在导水方面起到不可忽视的作用。而水的渗流问题又是影响岩体及其以上的建筑物稳定的重要因素。

正如人们所知，渗流会降低岩土体的稳定性。在高静水压力作用下，岩体内水的流态已经不能完全被岩体中的通道所约束。具有高势能的水会破坏岩体的原有结构，“创造”出更多的渗流通道来，以满足其卸掉势能的需要。水力劈裂问题的研究实质，就是具有高势能的水对岩体的破坏。

本文基于连续介质弹脆性损伤理论，研究岩体水力劈裂的机理，在以下方面有所进展：

(1) 在弹脆性力学的范畴内，提出基于应变的岩体破坏模式，并推导了判别准则。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，也可能两种破坏形式并存发生。两种破坏形式并存发生时，在一个足够小的时间段内，也是以单一的形式发生，只是在下一时间段可能就转化成另一种形式发生破坏。在一个具体的时刻，岩体发生哪一种形式的破坏，取决于当前哪一种破坏趋势占优势地位。

(2) 基于常规三轴水力劈裂试验，提出了材料“不均匀系数”的概念，用来描述了材料的不均匀分布状况。并基于此，提出应变(应力)集中为核心的水力劈裂观点。认为：岩体，特别是脆性岩体的破坏是从局部开始的，在局部形成裂纹。裂纹的扩展，及裂纹的相互连通，导致岩体整体破坏。在高压水荷载的作用下，岩体的劈裂破坏必然伴随着高压水的侵入。对于裂缝来讲，高压水对裂缝面施加面荷载。正是这一面荷载的作用，大大加强了缝端的应力集中程度。这也就是水力劈裂会对岩体的稳定造成巨大威胁的原因。

(3) 建立了渗透系数与损伤变量的关系函数。以此为桥梁，建立渗流、破坏的耦合关系。开发了有限元耦合计算程序。耦合计算分两部分：岩体的力学反应和岩体结构变化造成的渗流场的反应，两部分分别计算交叉叠代。数值计算的研究重点如下：①对岩体材料的非均匀模拟，选用Weibull分布或标准正态分布函数为计算单元赋材料参数(主要是弹模)。研究表明，分别按两种分布函数为材料赋值，得到的裂缝扩展没有明显差别；②在裂缝扩展过程的数值模拟上，数值计算分荷载步，在每一个荷载步内再叠代计算。在每一个叠代步，只允许一个单元破坏。破坏后的单元要进行应力转移。应力转移的大小按照弹脆性本构模式进行。如此反复叠代直到平衡为止，并进入下一荷载步。计算表明，荷载步的大小对计算收敛性影响明显。计算时一般尽量设置小载荷步，载荷步过大时可能导致计算不收敛；③渗流场计算中，由于新裂缝连通性假设，随裂缝的扩展，渗流场变化明显。

关键词：岩石力学；水力劈裂；试验研究；数值分析；损伤力学；渗透系数；耦合分析

EXPERIMENTAL STUDY ON HYDRAULIC FRACTURE MECHANISM OF ROCK MASS AND NUMERICAL SIMULATION

XIE Xing-hua

(Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210024，China)

收稿日期：2004–12–08

作者简介：谢兴华(1971–)，男，2004年7月获河海大学工学博士学位，导师为速宝玉教授，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。E–mail：iamxiexh@163.com