前言
第1章引言
1.1研究背景
1.2節(jié)理裂隙應力滲流耦合機理研究綜述
1.2.1巖石裂隙表面形貌描述方法研究
1.2.2巖石裂隙滲流特性描述方法
1.2.3正應力對巖石節(jié)理滲透性影響的試驗研究
1.2.4剪切變形對巖石節(jié)理滲透性影響的試驗研究
1.2.5巖石裂隙滲流應力耦合模型研究
1.2.6巖石裂隙中溶質運移研究
1.3裂隙巖體錨固研究綜述
1.3.1試驗及理論分析方面
1.3.2數(shù)值分析方面
1.4本書主要內容
參考文獻
第2章粗糙節(jié)理面剪切破壞機理和強度模型
2.1巖體節(jié)理剪切試驗裝置開發(fā)與試驗研究
2.1.1新型巖體剪切試驗裝置的開發(fā)背景
2.1.2直剪試驗裝置的硬件和軟件系統(tǒng)
2.1.3巖石裂隙的剪切力學行為的試驗研究
2.2結構面剪切破壞細觀機理數(shù)值模擬研究
2.2.1巖石材料的顆粒流程序表達
2.2.2巖石壓縮破壞過程的細觀模擬研究
2.2.3巖石節(jié)理面剪切破壞細觀機理研究
2.3裂隙表面形態(tài)數(shù)學描述及特性研究
2.3.1裂隙表面形態(tài)特征函數(shù)
2.3.2裂隙表面形態(tài)特征理論研究
2.4粗糙節(jié)理面隨機強度模型
2.4.1單個長方體凸起剪切破壞分析
2.4.2隨機強度模型建立
2.4.3物模試驗驗證
2.4.4隨機模型中參數(shù)影響
2.5地下洞室圍巖裂隙開裂判斷方法及其應用
2.5.1工程研究背景
2.5.2裂隙擴展判據(jù)
2.5.3裂隙擴展判斷方法與計算流程
2.5.4工程應用概況
2.5.5數(shù)值模擬計算與分析
2.5.6分析和討論
2.6本章小結
參考文獻
第3章粗糙節(jié)理面剪切滲流耦合試驗及數(shù)值模擬研究
3.1巖石節(jié)理水力耦合特性研究
3.1.1節(jié)理裂隙水力學性質描述
3.1.2自然巖石節(jié)理滲流性質研究
3.1.3巖石節(jié)理水力耦合研究
3.1.4巖石結構面滲流特性研究新進展
3.1.5小結
3.2剪切滲流耦合機理試驗研究
3.2.1試驗裝置概括
3.2.2數(shù)控伺服系統(tǒng)的建立
3.2.3巖石試件準備及表面數(shù)據(jù)測量
3.2.4剪切滲流試驗過程
3.2.5試驗結果分析
3.2.6小結
3.3節(jié)理裂隙剪切滲流耦合試驗數(shù)值模擬研究
3.3.1試驗描述
3.3.2試驗過程中力學開度的應用方法
3.3.3數(shù)值計算控制方程
3.3.4邊界條件和接觸面積的處理方法
3.3.5結果比較和分析
3.3.6小結
3.4本章小結
參考文獻
第4章粗糙節(jié)理面滲流計算模型和溶質運移機理研究
4.1考慮分形特征的節(jié)理面滲流計算模型研究
4.1.1節(jié)理面滲流計算分形模型
4.1.2節(jié)理面分形維數(shù)計算
4.1.3節(jié)理滲流計算公式的驗證
4.1.4修正參數(shù)的分析與討論
4.1.5小結
4.2溶質運移數(shù)值模擬
4.2.1運移場控制與方程與邊界條件
4.2.2運移場模擬結果分析
4.2.3考慮吸附作用的溶質運移
4.2.4小結
4.3本章小結
參考文獻
第5章裂隙巖體錨固機理和理論模型
5.1裂隙巖體基本變形規(guī)律研究
5.1.1裂隙巖體幾何特性研究
5.1.2節(jié)理變形特性研究
5.2巖石節(jié)理面錨固作用機理
5.2.1節(jié)理巖體錨桿局部應力和變形性質
5.2.2數(shù)值計算公式
5.3巖石節(jié)理面剪切試驗顆粒流模擬
5.3.1數(shù)值模型的建立及細觀參數(shù)的確定
5.3.2加錨節(jié)理面直剪試驗數(shù)值模擬
5.3.3小結
5.4節(jié)理面有限元計算模型
5.4.1二維線性節(jié)理單元剛度矩陣
5.4.2初應力引起的結點荷載
5.4.3錨桿對節(jié)理面“銷釘”作用
5.5加錨巖石節(jié)理有限元計算方法
5.5.1節(jié)理面計算方法
5.5.2錨桿對節(jié)理加固作用有限元計算過程
5.6本章小結
參考文獻
第6章加錨裂隙巖體計算模型研究及應用
6.1加錨節(jié)理面應力和變形研究
6.1.1壓剪應力狀態(tài)下節(jié)理面變形特點與錨桿應力分析
6.1.2拉剪應力狀態(tài)下節(jié)理面變形特點與錨桿應力分析
6.2加錨裂隙巖體本構關系
6.2.1壓剪應力狀態(tài)下的本構關系
6.2.2拉剪應力狀態(tài)下的本構關系
6.3損傷與彈塑性耦合有限元實現(xiàn)
6.3.1損傷演化方程
6.3.2損傷與彈塑性耦合實現(xiàn)的基本方法
6.3.3材料非線性問題增量解法一般原理
6.3.4增量變塑性剛度法的基本思想
6.3.5迭代方法
6.3.6程序功能
6.4加錨裂隙巖體損傷模型在地下洞室群工程中的應用
6.4.1工程算例一
6.4.2工程算例二
6.5結論
6.5.1大崗山數(shù)值計算結論
6.5.2瑯琊山數(shù)值計算結論
6.5.3綜合結語
6.6本章小結
參考文獻
第7章滲透壓力作用下加錨裂隙巖體損傷模型研究
7.1滲透壓力作用下裂隙面上有效應力計算
7.2滲透壓力作用下加錨裂隙巖體損傷模型
7.2.1壓剪應力狀態(tài)下本構關系
7.2.2拉剪應力狀態(tài)下本構關系
7.3工程應用研究
7.3.1工程概況
7.3.2計算模型
7.3.3計算參數(shù)
7.3.4計算結果
7.3.5結論
7.4本章小結
參考文獻
第1章引言
歷史上的地質構造運動和風化卸荷作用,使得巖體結構中含有大量不同方向?規(guī)模?產狀的非連續(xù)性結構面(節(jié)理?斷層?裂隙),從而導致巖體在工程結構和力學性能上不同于其他工程材料,呈現(xiàn)非均質?非線性?非連續(xù)的各向異性;同時又成為巖體工程地下水流的主要通道,使得巖體滲透特性亦不同于一般孔隙介質,呈非均勻性和各向異性,形成節(jié)理巖體?節(jié)理巖體中的空隙有以下三類?
(1) 孔隙(pores)?若巖石中的空隙在各方向的尺寸屬于同一量級,則稱為孔隙?巖石中的孔隙分為水力連通孔隙和水力不連通孔隙兩類?水力連通孔隙和土壤中的孔隙相類似,是完整巖石中的滲水通道?
(2) 裂隙(fractures)?若巖石中的空隙在某一方向的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸(達米級以上),則稱為裂隙(巖石力學中稱為結構面);若某一方向延伸很長,其他兩個方向均相對較小,則稱為溶洞(karst cave)或孔洞?若巖石中無裂隙存在,則稱為完整巖石(intact rock);若巖石中有裂隙發(fā)育,則稱為裂隙巖石(fractured rock)?從滲水性上可視完整巖石為微孔隙介質(porous media)?
這些空隙的存在增加了巖體物理力學性能的復雜性,另一方面也為地下水提供了儲存和運移的場所,對其進行重點研究的必要性體現(xiàn)在許多應用學科進一步發(fā)展的需求和一些重大的急需解決的實際工程問題中,如水利水電工程?巖土工程?石油工程以及近年來在國際上成為研究熱點的高放射性核廢料地下儲存等?
(3) 微裂隙(microfissures)?若巖石中的空隙在一個方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸,且最長的尺寸也是微小的,則稱為微裂隙?多數(shù)巖石為脆性材料,在其形成過程中受到多種環(huán)境影響而出現(xiàn)微裂紋,被視為材料的缺陷?微裂紋分布既有完全隨機的,也有大體定向的?微裂紋尖端產生的應力集中現(xiàn)象,對巖石的強度有重大影響?應力環(huán)境對微裂紋的寬度有影響,因而其滲透性和應力環(huán)境有明顯的相關性?
1.1研 究 背 景
隨著二氧化碳地下封存?高放射性核廢料地下處置?垃圾填埋等特殊工程的興建,圍巖裂隙體穩(wěn)定性問題?裂隙介質中地下水流動問題以及污染物隨著水流的運移問題近幾年越來越受到人們的關注?地下工程的開挖建設對周圍裂隙巖體產生較大的擾動,改變其應力和位移場的分布情況,圍巖裂隙中的滲流和溶質運移特征也會因此發(fā)生改變,而這對污染物的地下封存與隔離效果有著至關重要的影響?巖體中存在的孔隙和裂隙等缺陷不但大大改變了巖體的力學性質(變形模量和強度參數(shù)降低?巖體呈各向異性),而且嚴重影響著巖體的滲透特性?裂隙巖體的滲流場受應力環(huán)境的影響,而滲流場的變化反過來又對應力場產生影響,這種相互影響稱為應力滲流耦合?滲流場與應力場相互耦合是巖體力學中的一個重要特性?巖體滲流研究在各種地質工程應用中占有重要的地位,如采礦和石油工程?核廢料儲存工程?在當前日益增長的環(huán)境控制條件下,流入開挖區(qū)域水量的估計和污染礦水的排泄程序都是地下工程的發(fā)展和運營時期的重要影響因素;在核廢料儲存工程中,地下水的輻射污染也需要特別注意和預防?要發(fā)展一種適合裂隙巖體應力滲流耦合分析模型,充分理解巖石裂隙內水的流動機制是非常關鍵的?
巖體中節(jié)理裂隙的存在嚴重削弱了巖體強度,降低了巖體的彈性模量,而且,巖體中存在的結構面在外部荷載作用下往往更容易發(fā)生錯動和離層等變形?為限制裂隙和巖石變形?提高巖體強度和工程結構穩(wěn)定性,巖體工程需要采取適當?shù)募庸檀胧?作為巖體支護的主要手段之一,錨桿已廣泛應用于隧道工程?地下工程?采礦工程?堤壩工程和水利水電等各種工程中?研究發(fā)現(xiàn):在節(jié)理巖體中,節(jié)理面和錨桿相互作用,節(jié)理面對錨桿產生剪切作用,錨桿同時限制了節(jié)理面變形,致使錨桿在節(jié)理面附近發(fā)生明顯彎折和變位,錨桿的變形往往遠大于巖體的變形,但目前錨桿計算模型尚不能有效反映這一特性?本書對錨桿在節(jié)理面附近的局部變形和受力狀態(tài)?節(jié)理錨桿加固系統(tǒng)模型進行深入的分析和研究,并將研究成果應用于地下洞室群的穩(wěn)定性分析中,取得了較好的效果?
1.2節(jié)理裂隙應力滲流耦合機理研究綜述
在水利水電?石油開采和核廢料儲存等工程中都存在許多巖石節(jié)理滲流問題?在巖體介質中,空隙的尺寸和連通程度一般都遠小于巖體中節(jié)理裂隙,而且裂隙的水力傳導系數(shù)遠遠大于完整巖石中孔隙的滲透系數(shù),因此裂隙網絡是巖體中水運動的主要通道?單裂隙面是構成巖體裂隙網絡的基本元素,巖體的滲透性能和滲透方向不僅與裂隙網絡的發(fā)育?切割特征有關,還與單個裂隙的幾何特征(如裂隙的寬度?方向?粗糙性和充填性等)密切相關?因此,要研究巖石水力學和合理地預測工程巖體中復雜的滲流狀態(tài),必須從單裂隙面的滲流特性這一基礎性課題入手,首先對單一裂隙的水力特性進行研究?
巖石裂隙水力耦合作用主導著裂隙中水流和溶質運移行為?人們很早就開始對裂隙的剪切滲流耦合機理以及介質中地下水溶質運移進行了探索研究,并且在試驗研究?理論分析和計算方法等方面取得了一定成果?然而,由于巖體裂隙系統(tǒng)本身錯綜復雜,在各種作用力的影響下,其空間幾何因素的復雜性?滲透系數(shù)的各向異性和彌散系數(shù)不確定性加大,使得該研究變得非常困難?Wels和Smith[1]指出裂隙網絡中的溶質運移機理取決于單裂隙中溶質運移特點,因此研究擾動作用下裂隙網絡中水流和溶質運移特性,應以研究單裂隙在剪切過程中地下水流動狀態(tài)和溶質運移機理為基礎,探索裂隙介質中滲透性?對流?彌散?吸附等特征?地下水流動和溶質運移特征受很多因素影響,如水的黏度?流速?裂隙的連通性?隙寬?裂隙面的粗糙度及一些參數(shù)的尺寸效應等[2,3],而剪切作用使這些因素變得更加復雜?早期關于單裂隙介質中水流與溶質運移成果多數(shù)是基于光滑平行板裂隙的理想簡化模型,而自然界中裂隙表面一般是粗糙不平的,此外Isakov等[4]也認為裂隙水流與溶質運移研究進展緩慢的原因不僅是影響因素繁多,還有裂隙面的幾何特征的描述比較困難?因此合理描述裂隙表面粗糙特征,開展剪切過程中單個粗糙裂隙中水流與溶質運移機理研究具有重要意義?粗糙裂隙在剪切作用下的滲流與溶質運移研究主要針對剪切作用影響下裂隙中水流與溶質運移規(guī)律以及模擬方法,研究內容可以歸納為以下幾個方面:①剪切作用影響;②粗糙裂隙介質;③流體滲流;④溶質運移;⑤水流與溶質運移之間的相互關系?研究粗糙裂隙中溶質運移首先要以研究裂隙中水的滲透特性為基礎,水的滲透性又直接受到裂隙表面的粗糙形貌影響,而剪切作用則直接改變節(jié)理裂隙的形貌特征?
1.2.1巖石裂隙表面形貌描述方法研究
自然中大多數(shù)裂隙面都是凹凸不平的,裂隙表面形態(tài)特征對節(jié)理面的剪切作用?流體流動的曲折性和溶質運移的彌散特性等都有重要的影響?定量地描述裂隙表面形態(tài)進而確定合理的表面形態(tài)參數(shù)對研究裂隙中流動特性以及建立形態(tài)特征參數(shù)與流動特性之間的定量關系具有重要的意義?描述裂隙表面形態(tài)特性方法因測量方式和實際應用而異?總的來說,人們對裂隙表面形態(tài)研究方法大致可以分為幾何形狀假設方法?統(tǒng)計學方法和分形幾何方法三大類?
1. 幾何形狀假設方法
幾何形狀假設方法一般把裂隙表面形貌假設為由一系列不同幾何形狀的微小凸起組成,基于每個凸起之間的作用機理得到整個節(jié)理面的力學反應?常見的形貌假設主要有平行板假設?鋸齒形表面凸起假設?球形凸起假設和長方形凸起假設等?
(1) 平行板假設?早期的研究一般把粗糙裂隙面簡化為由兩個相互平行的板面組成,這是最簡單的假設方法,常用的立方定理就是基于該模型推導得出的?然而由于自然裂隙面一般是粗糙不平的,與理想的光滑平行板表面相差較遠,所以該假設會使計算產生較大的偏差?
(2) 鋸齒形表面凸起假設?該假設把起伏不平的裂隙表面形態(tài)簡化為具有相同角度的規(guī)則齒形和不同傾角的不規(guī)則齒形?Johnston和Lam[5]?Seidel和Haberfield[6]?Yang等[7]?Yang和Chiang[8]都對鋸齒形表面進行了大量的研究,分析了傾角?齒距等參數(shù)與裂隙面力學特性之間的定量關系?鋸齒形表面凸起假設是最為常見的形貌假設方法?
(3) 球形凸起假設?1966年Greenwood和Williamson[9]把裂隙表面簡化為球形凸起,并推導出兩個球體之間的接觸作用?Brown和Scholz[10]應用Greenwood和Williamson所得的理論結果,把裂隙上下表面均假設為由半徑不同的球體組成,并且推導了裂隙面的閉合特性?由曲率不同的球形凸起組成的裂隙表面與自然裂隙形貌最接近,然而由于球體之間相互作用的理論解難以求出,導致該幾何形貌假設下裂隙面之間相互作用的解析解難以得到?
(4) 長方形凸起假設?該假設一般由一系列尺寸不同的微小長方體概化組成粗糙節(jié)理表面?Kown等[11]依據(jù)該表面形狀假設,推導得出了裂隙面的剪切強度模型?該形貌假設的優(yōu)點是當長方形尺度選擇合適時,能夠較好地反映節(jié)理面形貌,并基于此可以推出節(jié)理面受力反應的最終狀態(tài),但是全面地考慮到具體作用過程存在一定的難度?
2. 統(tǒng)計學方法
統(tǒng)計學方法一般是通過分析裂隙的二維粗糙線得到裂隙表面形態(tài)描述參數(shù)?常用的統(tǒng)計學方法有粗糙度系數(shù)法?統(tǒng)計學參數(shù)法和地質統(tǒng)計參數(shù)法等?
1) 粗糙度系數(shù)法
粗糙度是衡量節(jié)理裂隙面相對于平面的波動起伏程度的指標,對裂隙中流體流動的曲折性有重要的意義?Barton[12]從工程角度出發(fā),研究具有不同表面形態(tài)的節(jié)理面力學行為,并在此基礎上提出了節(jié)理粗糙度綜合描述參數(shù),其中節(jié)理面粗糙度系數(shù)JRC得到普遍的認可,至今該系數(shù)仍被廣泛應用于各種工程實際中?1976年Barton和Choubey[13]通過對136條節(jié)理面形貌進行統(tǒng)計分析,按其粗糙程度大小,將節(jié)理粗糙度系數(shù)劃分為10級,相應的JRC取值為0~20?在進行實際的粗糙度評價時,可將相同尺寸的被觀測節(jié)理面表面形狀與10條標準剖面線比較,并選取最接近的JRC作為其取值大小?然而,Kulatilake等[14]認為JRC僅可以用來表征平穩(wěn)粗糙度,不能用來反映非平穩(wěn)粗糙度;Maerz等[15]認為JRC并不具有嚴格的幾何意義,它的確定方法包含主觀因素,因而失去了科學上的唯一性和嚴謹性,可能引起預測的節(jié)理裂隙力學行為出現(xiàn)嚴重偏差?
2) 統(tǒng)計學參數(shù)法
自然巖石裂隙表面一般是粗糙不平的不規(guī)則幾何面,因此可以采用統(tǒng)計學參數(shù)或者函數(shù)來描述?常見的統(tǒng)計學參數(shù)通常包括節(jié)理凸臺高度?傾角?形狀和分布等[15,16],可以把它們大致分為三類[17]?
(1) 振幅參數(shù)?主要是用來反映粗糙表面凸臺高度變化情況的參數(shù),如中線均值C?凸臺高度的均方值M?均方根R和絕對粗糙度k?
(2) 斜率參數(shù)?主要是反映裂隙面凸臺形狀的參數(shù),如凸臺高度的一階導數(shù)即斜率Z2?二階導數(shù)即曲率Z3?平均微角i和粗糙度指數(shù)Rp等?
(3) 混合參數(shù)?即同時涉及振幅變化和凸臺斜率變化的參數(shù),如自相關函數(shù)AC?結構函數(shù)S和譜密度函數(shù)等?
統(tǒng)計學描述參數(shù)多達十幾個,如此多的參數(shù)似乎足以用來描述粗糙裂隙的表面形態(tài),然而實際情況卻遠非如此?Bahat[18]引入14個不同參數(shù)來描述裂隙表面形態(tài),這些參數(shù)涉及表面幾何形貌的各個方面,但仍沒有得到普遍的公認?由此可見,描述裂隙表面幾何特征的參數(shù)并不是越多越好?當這些描述指標體系中的參數(shù)多到一定程度時,整體的描述精度反而會由于體系復雜性的增加而下降?
3) 地質統(tǒng)計參數(shù)法
在巖石裂隙表面形貌定量描述的進展中,另一值得注意的方法為地質統(tǒng)計學方法?該方法的基本函數(shù)一般為經驗方差函數(shù)和半經驗方差函數(shù),定義為振幅變化的均方值[17]?研究表明,地質統(tǒng)計學的相關參數(shù),如基臺值?變程等,可以用來描述裂隙表面形態(tài)?Ferrero和Giani[19]認為方差函數(shù)和JRC之間存在某種關系,Roko等把方位角等參數(shù)引入方差函數(shù)中,得到了用極坐標來描述粗糙節(jié)理面各向異性的方法[17]?
3. 分形幾何方法
法國數(shù)學家Mandelbrot在1973年首次提出了分維的設想,并創(chuàng)造了“分形(fractal)”這個新術語?后來Mandelbrot[20]又提出了分形幾何,用來描述自然界不規(guī)則以及雜亂無章的現(xiàn)象和行為?與歐氏幾何有著本質不同的是,分形
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