節(jié)理剪切滲流耦合特性及加錨節(jié)理巖體計(jì)算方法研究.pdf

1、在核廢料儲存、地下洞室群、隧道、石油、采礦、水利、邊坡等各種巖體工程和環(huán)境工程中經(jīng)常會遇到復(fù)雜的節(jié)理巖體。滲透特性和錨固性質(zhì)是節(jié)理巖體的重要性質(zhì)，往往直接或間接地決定著巖體工程的設(shè)計(jì)、施工、穩(wěn)定性評價(jià)等。 滲流場與應(yīng)力場的耦合性質(zhì)是巖體力學(xué)的重要特性。裂隙是節(jié)理巖體滲流的基本元素,為研究巖石水力學(xué)性質(zhì)，合理預(yù)測工程巖體中復(fù)雜的滲流狀態(tài)，應(yīng)首先對單一裂隙水力特性進(jìn)行研究。外力引起裂隙變形，改變了裂隙滲流速率，進(jìn)而引起的孔隙應(yīng)力變化

2、，孔隙應(yīng)力變化又會影響裂隙變形。通常節(jié)理裂隙作用力包括正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和流體壓力；根據(jù)作用力大小和方向不同，依據(jù)節(jié)理表面幾何性質(zhì)、變形性質(zhì)及巖石材料的強(qiáng)度，裂隙將產(chǎn)生相應(yīng)的變形；對于粗糙面節(jié)理，節(jié)理變形也會影響節(jié)理開度及其滲流性質(zhì)。 近年來，所謂的剪切滲流耦合試驗(yàn)引起廣泛的研究興趣。然而，由于斷裂節(jié)理表面粗糙度定量表述的困難，以及剪切滲流耦合試驗(yàn)中所需柔性邊界條件的限制，剪切滲流耦合試驗(yàn)中變形和滲流機(jī)制還不能充分地理解和描述。而

3、且，以往的研究中，大多數(shù)直接剪切實(shí)驗(yàn)都采用在剪切過程中保持垂直應(yīng)力不變(CNL)的邊界條件，這類剪切實(shí)驗(yàn)只能模擬作用于結(jié)構(gòu)面的垂直應(yīng)力(自重)不變的未支護(hù)的邊坡問題。但是，在大深度地下巖體結(jié)構(gòu)工程問題中，巖石節(jié)理發(fā)生的表面變形和表面損傷的剪脹，會引起圍壓的變化。同時(shí)，圍壓的影響會引起節(jié)理的垂直應(yīng)力變化。為解決大深度地下巖體結(jié)構(gòu)工程的節(jié)理問題，從80年代開始，保持垂直剛度不變(CNS)的剪切實(shí)驗(yàn)裝置得到了開發(fā)應(yīng)用。 基于上述問題，

4、本文的研究采用自動化數(shù)控技術(shù)及虛擬儀器，開發(fā)了一套具有電液伺服微機(jī)控制系統(tǒng)的新型數(shù)控直接剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)。這種數(shù)控剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)用數(shù)控系統(tǒng)代替彈簧模擬節(jié)理周圍圍巖的變形剛度特性，克服了以往剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)的上述缺點(diǎn)，能適應(yīng)圍壓影響下的節(jié)理變形特點(diǎn)。應(yīng)用該試驗(yàn)設(shè)備及其控制系統(tǒng)，采用適當(dāng)?shù)娜嵝赃吔鐥l件，在恒定法向荷載(CNL)和恒定法向剛度(CNS)邊界條件下進(jìn)行剪切滲流耦合試驗(yàn)。試驗(yàn)中，分別取3組人工斷裂試件；然后，以三組節(jié)理試件為原型，分別復(fù)制出5組透

5、明石膏材料的斷裂節(jié)理時(shí)間進(jìn)行節(jié)理的剪切滲流耦合試驗(yàn)，并對5組斷裂節(jié)理試件進(jìn)行剪切滲流耦合試驗(yàn)。在剪切滲流耦合試驗(yàn)前，首先對試件進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，以便使試件最大可能的閉合。據(jù)此應(yīng)用第4個(gè)循環(huán)的加卸載試驗(yàn)結(jié)果，來計(jì)算在法向荷載下斷裂節(jié)理的力學(xué)梯度，這樣能得到合理的法向應(yīng)力和法向位移曲線。在所有的試驗(yàn)當(dāng)中，流動方向平行于剪切方向，屬于低圍壓下粗糙自然斷裂節(jié)理內(nèi)的流體流動，可適用于立方準(zhǔn)則。在滲透率計(jì)算中，通過降低與剪切位移相應(yīng)的水力梯度來消

6、除這種斷裂節(jié)理試件的上下2部分的接觸長度(即有效剪切長度)減小帶來的影響。在試驗(yàn)剪切過程中，應(yīng)用數(shù)碼攝像機(jī)記錄著色水在節(jié)理內(nèi)的流動過程和狀態(tài)。 在斷裂節(jié)理的剪切滲流耦合試驗(yàn)研究中，法向應(yīng)力和法向剛度是通常的邊界條件，和剪切位移一起，被用來分析剪切行為和法向行為的耦合性質(zhì)，或者解釋發(fā)生在自然巖體內(nèi)的剪切過程。立方準(zhǔn)則能適用于大多數(shù)巖石斷裂節(jié)理。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)剪切過程中隨著剪切位移的發(fā)生，剪切應(yīng)力明顯呈現(xiàn)三階段的變化，而滲透性

7、呈現(xiàn)兩階段的變化趨勢。 剪切過程中的透過率變化亦表現(xiàn)出兩階段的變化性質(zhì)。在第Ⅰ階段透過率升高的比較快，直到一個(gè)拐點(diǎn)值，之后，其升高的速率趨于0，即第Ⅱ階段。在剪切開始的時(shí)候，負(fù)膨脹可能使第Ⅰ階段的透過率偏離立方體準(zhǔn)則。在該研究中應(yīng)用的斷裂試件具有良好的匹配性能，負(fù)膨脹的產(chǎn)生是由于剪切試驗(yàn)前作用在試件上的法向荷載引起的固結(jié)壓實(shí)和收縮。在本次試驗(yàn)中，這是一個(gè)短暫的現(xiàn)象，在這個(gè)過程中透過率的值比較低。在第Ⅱ階段，較粗糙的節(jié)理比平坦節(jié)理

8、有更大的透過率，且第Ⅰ階段的極限值來的比較早。較高的法向應(yīng)力和法向剛度將約束抑制剪切過程中的斷裂膨脹，因此會降低第Ⅱ階段的透過率值。 隨剪切位移增大，因剪脹作用，裂隙開度和水力傳導(dǎo)系數(shù)均顯著增大。剪切位移由零增加到8-1 2mm時(shí)，受剪脹作用影響，裂隙開度和水力傳導(dǎo)系數(shù)達(dá)到最大值，而后隨剪切位移的增加水力開度值基本持平。而且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，節(jié)理面剪切位移引起節(jié)理面剪切應(yīng)力和滲透系數(shù)極大改變，特別是滲透性變化，節(jié)理面的微小剪切位移

9、也可能引起滲透性數(shù)量級上的改變。根據(jù)適用于描述斷裂節(jié)理內(nèi)的流體流動RevnoIds方程以及相應(yīng)的邊界條件，采用有限單元處理方法，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)模擬在法向荷載作用下剪切過程中斷裂節(jié)理試件內(nèi)的流體流動，著重分析接觸面面積的變化，剪切過程中開度和滲透性變化。從與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比看，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致。 另一方面，巖體中節(jié)理裂隙的存在嚴(yán)重削弱了巖體強(qiáng)度，降低了巖體的彈性模量；而且，巖體中存在的結(jié)構(gòu)面在外部荷載作用下往

10、往更容易發(fā)生錯動和離層等變形。為限制裂隙及巖石變形提高巖體強(qiáng)度和工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，巖體工程需要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?。作為巖體支護(hù)的主要手段之一，錨桿已廣泛應(yīng)用于各種巖土工程中。在工程實(shí)踐中，錨桿和巖體聯(lián)合作用，其加固效果往往十分明顯。一些商業(yè)計(jì)算軟件還不能有效反映錨桿對巖體結(jié)構(gòu)巨大的支護(hù)作用，不能對這種加固效果進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析和評價(jià)。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(chǎn)生剪切作用，錨桿同時(shí)限制了節(jié)理面變形；致使錨桿

11、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(yuǎn)大于巖體的變形。 論文對錨桿與節(jié)理面的相互作用機(jī)制及錨桿一節(jié)理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，提出了相應(yīng)的理論分析公式和計(jì)算方法。而且，當(dāng)節(jié)理發(fā)育，錨桿數(shù)量眾多時(shí)，我們既不可能用節(jié)理單元或桿單元逐一模擬如此眾多的節(jié)理裂隙和錨桿，也不能略去由于這些節(jié)理裂隙的存在而使巖體具有各向異性和強(qiáng)度弱化的特性及錨桿的加固作用，因此需要尋找一種較為科學(xué)合理的適合加錨裂隙巖體特點(diǎn)的計(jì)算模型。在前面研究的基

12、礎(chǔ)上，采用損傷力學(xué)的方法研究節(jié)理面及錨桿在節(jié)理面附近的能量變化；根據(jù)Betti能量互易定理，求得加錨節(jié)理巖體的本構(gòu)關(guān)系；應(yīng)用損傷和彈塑性的半解耦方法對本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行有限元程序化。將研究成果應(yīng)用于地下洞室群的開挖支護(hù)的計(jì)算中，并分別與一般彈塑性計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。 由研究結(jié)果可以得出結(jié)論。應(yīng)用加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷模型模擬錨桿的支護(hù)效應(yīng)，通過分析錨桿與圍巖的聯(lián)合作用，有效地限制了圍巖變形，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)：而且錨

13、桿嵌入巖體后，能承擔(dān)一部分原來由圍巖所承擔(dān)的荷載，有效地阻止了洞周圍巖破損區(qū)的發(fā)展演化，從而增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性。 相比于普通的彈塑性模型，加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷模型考慮了巖體中節(jié)理裂隙對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響，以及錨桿針對節(jié)理裂隙的加固作用，因而能更好地反映裂隙巖體洞室圍巖穩(wěn)定性特征。根據(jù)位移的數(shù)值計(jì)算值與監(jiān)測值比較后可以發(fā)現(xiàn)：監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算位移值與監(jiān)測值吻合良好，說明加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷模型能夠很好的反映加錨斷續(xù)節(jié)理巖體

14、洞室圍巖的變形破損特征。 在洞室開挖過程中，洞室拱項(xiàng)處的位移在一定范圍內(nèi)逐步向上回彈，隨著開挖的進(jìn)行，位移回彈的速度減小。這是由于水平方向的地應(yīng)力比豎直方向的地應(yīng)力要大所致。這種規(guī)律也符合高地應(yīng)力情況下的洞室開挖的位移變化規(guī)律。 巖石遇水強(qiáng)度降低一直是困擾著地下工程圍巖穩(wěn)定性的一大難題。在前面研究基礎(chǔ)上，結(jié)合固體力學(xué)中自洽理論、應(yīng)變能等效原理，推導(dǎo)得到在壓剪和拉剪應(yīng)力狀態(tài)下加錨節(jié)理巖體等效計(jì)算模型。并將其應(yīng)用于象山港海底