發(fā)布時間：2020-04-08 00:03

【摘要】：近年來隨著大型水利水電工程的興建以及非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā),工程尺度巖體滲透特性研究的重要性愈發(fā)提高。巖石在荷載作用下發(fā)生變形直至損傷破裂的過程伴隨極其復(fù)雜的力學(xué)行為。一方面,由于巖石材料自身存在細(xì)觀尺度的缺陷,導(dǎo)致了材料非線性,不同巖樣的試驗曲線和材料參數(shù)極其離散;另一方面,巖體通常是由大量不連續(xù)結(jié)構(gòu)面切割而成的復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)體系,節(jié)理裂隙的發(fā)育程度往往決定了巖體的力學(xué)特征。與此同時,工程巖體又通常賦存于應(yīng)力場、滲流場、溫度場等共同形成并相互作用的地質(zhì)環(huán)境中,圍巖與地下水之間存在復(fù)雜的流固耦合問題。尤其在開挖卸荷過程中一旦圍巖發(fā)生損傷破裂,伴隨著裂隙的發(fā)育,積蓄的應(yīng)變能以聲發(fā)射形式向外耗散,應(yīng)力場不斷轉(zhuǎn)移,滲流通路不斷改變,導(dǎo)致滲流場動態(tài)變化;滲流場的改變又進(jìn)一步影響應(yīng)力場的分布,在應(yīng)力-滲流相互作用下,共同決定了巖體的破裂形式和滲流通道的發(fā)育形態(tài)。本文的研究完成了以下主要內(nèi)容:(1)根據(jù)損傷力學(xué)和統(tǒng)計強(qiáng)度理論,對現(xiàn)有真實破壞分析方法RFPA(RealisticFailure Process Analysis)進(jìn)行擴(kuò)展細(xì)化,建立能夠完整反應(yīng)巖石損傷-滲透-能量耗散的全路徑破壞分析方法。分別對彈性、損傷、接觸、分離狀態(tài)的單元擴(kuò)展出完整的荷載-損傷路徑,并結(jié)合不同的材料本構(gòu)模型,將其推廣到三維形式。較為成功的描述了巖石不同的破裂形態(tài)、裂隙反復(fù)張開閉合、裂隙面以及破裂塊體之間相互咬合、相互鎖定、再次破碎等復(fù)雜的力學(xué)行為。(2)建立了損傷過程滲流模型。充分考慮單元損傷歷史和當(dāng)前應(yīng)力-應(yīng)變水平對滲透性的綜合影響;針對單元損傷的各個階段,給出統(tǒng)一、連續(xù)的滲流模型表述。精細(xì)的模擬了滲流條件下巖體的損傷發(fā)育、裂隙開閉、聲發(fā)射前兆、滲流通道的發(fā)育與改變、應(yīng)力-滲流場耦合作用下誘導(dǎo)的裂隙轉(zhuǎn)向等現(xiàn)象。(3)在唐春安提出的RFPA方法和以往研究者卓越成果的基礎(chǔ)之上,引入現(xiàn)代軟件設(shè)計方法,借鑒現(xiàn)有成熟CAE工程軟件的設(shè)計開發(fā)思路,從底層開始全新開發(fā)了巖體工程分析系統(tǒng)REAS(Rock Engineering Analysis System)。以C#語言為主開發(fā)了用戶交互界面;使用跨平臺圖形庫OpenGL開發(fā)了高性能的圖形可視化系統(tǒng);采用C++和Fortran開發(fā)了網(wǎng)格的剖分、計算和分析程序,并自行設(shè)計了腳本語言對邏輯關(guān)系進(jìn)行控制。(4)討論了節(jié)理巖體宏觀滲透性的尺度效應(yīng)�；贒FN(DiscreteFractureNetwork)方法生成節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)來表征巖體隨機(jī)缺陷,獲得了不同尺度下巖體滲透系數(shù)的變化規(guī)律。通過數(shù)值手段再現(xiàn)并解釋了滲流的方向性和隨機(jī)性與尺度效應(yīng)的關(guān)系,比較了材料強(qiáng)度和滲透性對樣本尺度的敏感性,并給出了數(shù)值計算中滲透性參數(shù)換算的修正公式。本文還討論了圍壓水平、三軸荷載、節(jié)理密度、各向異性滲流等因素對滲透性尺度效應(yīng)的影響,并嘗試解釋引發(fā)滲透性尺度效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理,總結(jié)出影響巖體滲透性尺度效應(yīng)的關(guān)鍵因素。(5)分別討論了完整脆性巖塊與節(jié)理巖體在破裂過程中的滲透性曲線與能量耗散規(guī)律。數(shù)值試驗表明,巖塊壓裂后滲透性的激增、能量釋放高峰與峰值荷載幾乎同步;而節(jié)理巖體往往在峰后數(shù)倍峰值應(yīng)變處才形成完全貫穿巖體的滲流通道。將聲發(fā)射激增作為滲透性突跳前兆,從機(jī)理上驗證了微震監(jiān)測預(yù)防突水事故的有效性。(6)以膠州灣海底隧道工程為背景建立數(shù)值仿真模型,探討了隧道開挖穿越斷層破裂帶過程中圍巖損傷、滲流通道發(fā)育以及微震前兆之間的聯(lián)系。對超前鉆孔探水、地層注漿加固以及注漿堵水效果評價進(jìn)行了精細(xì)的數(shù)值模擬施工,并與工程實例的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
【圖文】：

ｒ＾；－邋ｍｍ逡逑霾逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．２在２０１６年９月中國浙江麗水滑坡前后圖像對比［８］逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｔｈｅ邋Ｓｕｃｕｎ邋ｒｏｃｋｓｌｉｄｅ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎｅ邋ｉｎ邋Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ邋２０１６．邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｂｅｆｏｒｅ逡逑ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋ｉｍａｇｅｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌａｎｄｓｌｉｄｅ．逡逑＊作者在參與的錦屏二級水電站深埋長大隧道巖爆災(zāi)害的微震監(jiān)測預(yù)警工作期間，亦逡逑經(jīng)歷過降雨誘發(fā)的邊坡滑坡事故。２００９年７月９日，歷經(jīng)一晝夜的降雨，位于西昌逡逑和錦屏之間的一處公路隧道口處發(fā)生滑坡。作者當(dāng)時正在隧道內(nèi)，圖１．３為從隧道逡逑內(nèi)部向外拍攝，可見隧道口己經(jīng)被部分掩埋。逡逑？：ｋ逡逑圖１．３隧道洞口的山體滑坡（攝于四川，錦屏）逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋Ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ邋ｉｎ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｅｎｔｒａｎｃｅ邋（Ｃｈｉｎａ，，邋Ｓｉｃｈｕａｎ，邋Ｊｉｎｐｉｎｇ）逡逑－３－逡逑

ＰＦＣ方法假設(shè)材料的微觀結(jié)構(gòu)在統(tǒng)計學(xué)上模擬為不同直徑的圓形固體顆粒，相鄰顆逡逑粒間被賦予法向剛度和剪切剛度以及摩擦系數(shù)，通過接觸黏結(jié)和平行黏結(jié)傳遞相互作用逡逑（圖１．５）邐接觸黏結(jié)不能傳遞力矩，當(dāng)法向或切向應(yīng)力分別超過對應(yīng)的接觸黏結(jié)強(qiáng)度逡逑時，接觸黏結(jié)破壞；平行黏結(jié)可傳遞力和力矩，當(dāng)法向或切向應(yīng)力超過對應(yīng)的平行黏結(jié)逡逑強(qiáng)度時，平行黏結(jié)破壞，分別產(chǎn)生張拉型微裂紋或剪切型微裂紋。這樣的巖石顆粒模型逡逑通常也被稱為邋ＢＰＭ邋模型（Ｂｏｎｄｅｄ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｍｏｄｅｌ）［２７］。逡逑，—Ｉ—逡逑！邋Ｆ邋Ｆ邋．？丨－＜邐＾？逡逑［＋ＵＢ＇邐Ｆ＾：邋ｂｏｎｄ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ邋°＾Ｇ￡）逡逑、W：７邋ｓｓ邋￥逡逑ｇ邐ｂ邋ｆ／ｉ：邋ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ逡逑（ａ）顆粒之間的法向剛度、剪切剛度示意圖（ｂ）ＰＦＣ剪切和拉伸時的本構(gòu)模型逡逑圖１．５邋ＰＦＣ中的黏結(jié)模型［２６］逡逑Ｆｉｇ邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｐａｒａｌｌｅｌ邋ｂｏｎｄ邋ｍｏｄｅｌ邋ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ邋ｉｎ邋ＰＦＣ．逡逑但傳統(tǒng)的ＰＦＣ方法仍然存在的若干問題，如：逡逑＊通過模擬巖石無側(cè)限壓縮實驗獲取的抗壓強(qiáng)度，以及模擬間接拉伸實驗獲取的逡逑抗拉強(qiáng)度，其比值顯著偏離物理實驗結(jié)果［２８］。逡逑＊僅僅依靠圓形或球形顆粒的無法完全模擬硬巖破裂的復(fù)雜形態(tài)，也難以模擬破逡逑裂塊體之間相互咬合鎖定等復(fù)雜的力學(xué)行為［２８］。逡逑為了克服這些限制
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2618580