基于DDA的裂隙巖體水力耦合研究.pdf

1、當(dāng)前,國內(nèi)外巖體工程發(fā)展迅速,越來越多的能源、交通、礦山、水利和國防工程建造在巖石地區(qū),其工程設(shè)計、施工、穩(wěn)定性評價和巖體加固等直接依賴于對巖體的強(qiáng)度、變形、滲透性及破壞規(guī)律等特征的研究。裂隙巖體由于參數(shù)的隨機(jī)性、模糊性以及賦存環(huán)境的復(fù)雜性使得巖體中的地下水運(yùn)動具有不連續(xù)性,滲透具有非均質(zhì)性和各向異性。而巖體裂隙作為巖體的主要滲透通道,顯著地受應(yīng)力環(huán)境的影響。眾所周知,由于工程的開挖,工程荷載施加于巖體之上,改變巖體內(nèi)部應(yīng)力場的分布,使

2、得巖體發(fā)生變形或破壞。巖體變形或破壞又使得巖體中地下水的滲透特性發(fā)生變化。相應(yīng)地,巖體滲透特性的變化又進(jìn)一步改造著巖體應(yīng)力場,從而體現(xiàn)了兩場之間的耦合關(guān)系。巖體應(yīng)力場與滲流場的相互作用,影響和決定工程體的穩(wěn)定性、工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、工程活動的安全性及工程的造價高低等。國內(nèi)外重大失事事故說明研究人類工程作用力、巖體地應(yīng)力及地下水滲透力相互作用的重要性。
　　 目前,裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合研究已成為眾多學(xué)者致力挑戰(zhàn)的課題,也是巖體力學(xué)界

3、的熱點問題。本文把巖體看作不連續(xù)介質(zhì),從理論分析、數(shù)值模擬和試驗驗證三個方面,對裂隙巖體的滲流場與應(yīng)力場之間的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,具體內(nèi)容有如下幾個方面:
　　 (1)從裂隙巖體滲流場與應(yīng)力場耦合的角度出發(fā),定量化分析了巖體裂隙的幾何特征和裂隙巖體的滲透特性,研究了單裂隙在正應(yīng)力、剪應(yīng)力和三維復(fù)雜應(yīng)力條件下的滲流與應(yīng)力耦合特性,為滲流場與應(yīng)力場的耦合研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)介紹了非連續(xù)變形分析方法(DD

4、A)的基本原理和數(shù)值方法,分析了DDA方法的不足,采用高階非常應(yīng)變單元改進(jìn)位移函數(shù),為提高DDA的計算精度提供了理論基礎(chǔ)。此外,為彌補(bǔ)DDA中的罰函數(shù)法的不足,采用增廣Lagrange乘子法代替DDA中的罰函數(shù)法實現(xiàn)塊體交界面上無嵌入,最后通過經(jīng)典算例驗證了本文程序的正確性。
　　 (3)應(yīng)用二維裂隙網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型,求解裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流的滲透矩陣,并用試驗結(jié)果驗證了該方法的正確性,為進(jìn)一步求解裂隙網(wǎng)絡(luò)自由面位置和進(jìn)行滲流應(yīng)力耦

5、合分析奠定了理論基礎(chǔ)。通過數(shù)值分析,對離散介質(zhì)巖體滲流規(guī)律進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)主干裂隙在裂隙巖體滲流中起著控制滲流場分布的作用。最后應(yīng)用改進(jìn)的初流量法,編制程序求解裂隙巖體網(wǎng)絡(luò)滲流自由面,并與解析解相比較,驗證了該程序的可靠性。
　　 (4)在DDA力學(xué)計算原理和裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流分析的基礎(chǔ)上,建立了基于DDA的裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合分析模型,研究了裂隙巖體變形對地下水運(yùn)動的影響以及滲流場與應(yīng)力場共同作用下裂隙巖體結(jié)構(gòu)的變形破壞特征。闡述了