岩体水力劈裂机理研究及其在地下洞室围岩稳定分析中应用

论文题目: 岩体水力劈裂机理研究及其在地下洞室围岩稳定分析中应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 水工结构工程

作者: 李宗利

导师: 任青文

关键词: 岩体水力劈裂,自然营造力,机理,弹塑性解析解,临界水压,耦合数值分析模型,围岩稳定

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 岩体水力劈裂研究与应用虽从20世纪50年代就开始,但其机理并没有得到很好地解决,仍存在许多值得研究的课题,而且这些研究绝大数还是针对石油、天然气行业的人工致裂问题,对于水利水电、矿业等行业的自然营造力作用下产生的水力劈裂机理,尤其是单裂纹的水力劈裂机理研究却较少。 本研究首先根据目前水力劈裂机理研究的尺度,将岩体水力劈裂机理研究划分为两个层次,第一个层次是基于岩体在宏观、综合、统计意义上的水力劈裂,第二个层次是微观尺度的单裂纹水力劈裂;第二,分析总结了水利水电等行业自然营造力作用下水力劈裂与人工致裂的不同点;第三,针对自然营造力水力劈裂特点、不同研究尺度,从理论和数值分析两个方面对岩体水力劈裂机理问题进行研究;最后,通过具体工程地下高压隧洞的水力劈裂数值分析详细研究,揭示水力劈裂对地下洞室围岩稳定的影响规律。本文主要开展了以下工作: (1) 从宏观、综合、统计意义研究深埋圆形隧洞在渗流场作用下弹性和弹塑性问题。提出了考虑渗流场作用下圆形隧洞的弹塑性解;并对不同内外水头比值时洞周应力场分布规律及塑性半径进行研究。研究表明,随内外水头差的增大其影响将显著增大,尤其是对环向应力的影响程度要比径向应力大,且径向应力和环向应力不再符合无渗流时的分布规律,出现大小值交换。同时,随着内水头的增大,洞周压应力和塑性半径逐渐减小,直到出现无塑性区,随内水压力的进一步不断增大,又会出现新的塑性区,此时,第一主应力已变为环向应力;另外,考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。 (2) 应用工程近似裂纹复合失稳准则,分别推导出隧洞周围岩体内深埋裂纹两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。分析结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当λ-tanφ>0时,规律性与拉剪复合断裂模式基本一致,但λ-tanφ<0时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。 (3) 假定岩体混凝土水力劈裂过程裂缝形态为椭圆形,根据自然营造力作用下产生水力劈裂的边界条件,从流体质量守恒和动量守恒定律出发,采用控制体积法推导出裂纹流体运动质量守恒定律的具体形式、缝内水压分布微分方程,并得到在裂纹扩展稳定状态某时刻缝内压力理论计算式。从定性和定量两个方面与已有实验的结果比较说明,提出的理论计算公式反映的规律性是正确的,在裂纹快速开裂前提下计算结果与实验吻合较好。得到的计算式对研究地震荷载作用下混

论文目录:

前言

摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1．1 选题的目的与意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 “水力劈裂”一词的涵义

1．2．2 单裂纹水力劈裂研究模型

1．2．3 单裂纹水力劈裂实验研究

1．2．4 水力劈裂数值仿真技术

1．2．5 裂纹内水压分布研究

1．2．6 地下洞室围岩稳定分析方法

1．2．7 尚待研究的问题

1．3 研究内容

1．4 研究技术路线

第二章 考虑渗流场影响的深埋圆形隧洞弹塑性解

2．1 引言

2．2 渗流场计算

2．3 弹性应力位移解

2．4 弹塑性解

2．5 实例分析

2．6 本章小结

第三章 洞周岩体内裂纹水力劈裂分析与临界水压计算

3．1 前言

3．2 岩石断裂破坏模式

3．3 裂纹断裂失稳临界水压分析计算

3．3．1 拉剪复合型断裂临界水压分析计算

3．3．2 压剪复合型断裂临界水压分析计算

3．4 实例分析

3．5 本章小结

第四章 岩石水力劈裂裂纹内水压分布理论计算式

4．1 前言

4．2 裂纹水流运动基本方程

4．3 裂纹水压的理论分布

4．3．1 基本假定

4．3．2 质量守恒

4．3．3 动量守恒

4．3．4 裂纹内水压的理论分布

4．4 分析验证

4．5 本章小结

第五章 单裂纹水力劈裂耦合数值分析模型

5．1 前言

5．2 单裂纹水流运动模型

5．2．1 裂纹内水流运动基本理论

5．2．2 单裂纹水力学模型

5．2．3 裂纹水流运动质量守恒方程

5．2．4 自然营造力作用下水力劈裂边界条件

5．2．5 裂纹水流动有限元分析离散模型

5．3 岩体变形分析数值模型

5．3．1 岩体弹塑性分析基本理论

5．3．2 裂纹的数值模拟与跟踪

5．4 裂纹扩展断裂力学模型

5．4．1 断裂力学基本理论

5．4．2 岩石水力劈裂耦合数值分析模型中断裂力学模型选取

5．5 耦合分析方法与步骤

5．6 本章小结

第六章 单裂纹水力劈裂耦合数值分析程序设计

6．1 前言

6．2 程序组成与结构

6．2．1 裂纹內水压计算程序结构与组成

6．2．2 裂纹失稳扩展判断程序

6．2．3 接触单元应力计算及状态验算程序结构与组成

6．2．4 岩体弹塑性分析程序结构与组成

6．2．5 应力后处理

6．2．6 耦合数值分析整体分析程序结构

6．3 程序验证

6．4 本章小结

第七章 岩体试件的弹性和弹塑性水力劈裂耦合分析

7．1 前言

7．2 无围压作用岩体试件的弹性和弹塑性水力劈裂耦合分析

7．2．1 分析基本参数

7．2．2 无围压作用仿真分析结果分析

7．3 有围压作用岩体试件的弹性和弹塑性水力劈裂耦合分析

7．4 裂纹内水压分布规律分析与讨论

7．4．1 裂纹内水压与张开宽度之间关系

7．4．2 影响裂纹内水压分布的其它因素讨论

7．5 本章小结

第八章 水力劈裂对地下洞室围岩稳定得影响研究

8．1 前言

8．2 地下洞室围岩稳定分析的基本资料

8．3 分析方案

8．3．1 弹性数值分析

8．3．2 弹塑性数值分析

8．3．3 初始裂纹长度较大时弹性数值分析

8．3．4 裂纹位于受压区水力劈裂数值分析

8．4 结果比较分析

8．4．1 裂纹起裂洞内压力比较

8．4．2 裂纹扩展长度与洞内水压关系

8．4．3 水力劈裂对洞周应力场的影响

8．4．4 水力劈裂对洞周位移的影响

8．4．5 水力劈裂对洞周塑性区的影响

8．5 本章小结

第九章 蟠龙抽水蓄能电站引水隧洞水力劈裂分析

9．1 前言

9．2 水力劈裂分析基本资料

9．3 结果分析

9．3．1 水力劈裂校核

9．3．2 水力劈裂对洞周应力场和位移场的影响

9．4 本章小结

第十章 结论与展望

10．1 结论

10．2 主要创新点

10．3 展望

参考文献

在读期间发表的论文

致谢

发布时间: 2005-07-07

参考文献

• [1].水力劈裂条件下裂隙介质水力特性研究[D]. 唐红侠.河海大学2005
• [2].静水压力环境下混凝土裂缝扩展与双K断裂参数试验研究[D]. 王建敏.大连理工大学2009

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• [5].岩体破坏的非线性理论研究及应用[D]. 许传华.河海大学2004
• [6].松动岩体群洞围岩稳定性研究[D]. 席先武.长安大学2004

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