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内容简介

节理岩体应力渗流耦合机理及锚固理论是岩土工程及其相关领域的重要科学和技术问题。《裂隙岩体应力渗流耦合特性及锚固理论》围绕这一关键问题开展系统研究：研制了新型数控剪切渗流耦合试验系统，可在恒定法向荷载和恒定法向刚度边界条件下进行裂隙面的应力渗流耦合试验；基于试验和数值模拟研究，系统分析粗糙裂隙面剪切破坏机理和溶质运移特性，建立了粗糙裂隙面的剪切强度模型和渗流计算模型；基于颗粒离散元法，系统分析裂隙面—浆体—锚杆耦合作用机理，揭示了裂隙面的锚固机理，提出了裂隙岩体锚固中“宏细观耦合支护”的概念，建立了锚固裂隙岩体断裂损伤理论模型和计算方法；结合自洽理论和应变能等效原理等，建立了渗透压力作用下裂隙岩体应力渗流耦合模型；基于以上理论模型和计算方法，系统开展工程应用研究。

目录

前言
第1章引言
1.1研究背景
1.2节理裂隙应力渗流耦合机理研究综述
1.2.1岩石裂隙表面形貌描述方法研究
1.2.2岩石裂隙渗流特性描述方法
1.2.3正应力对岩石节理渗透性影响的试验研究
1.2.4剪切变形对岩石节理渗透性影响的试验研究
1.2.5岩石裂隙渗流应力耦合模型研究
1.2.6岩石裂隙中溶质运移研究
1.3裂隙岩体锚固研究综述
1.3.1试验及理论分析方面
1.3.2数值分析方面
1.4本书主要内容
参考文献
第2章粗糙节理面剪切破坏机理和强度模型
2.1岩体节理剪切试验装置开发与试验研究
2.1.1新型岩体剪切试验装置的开发背景
2.1.2直剪试验装置的硬件和软件系统
2.1.3岩石裂隙的剪切力学行为的试验研究
2.2结构面剪切破坏细观机理数值模拟研究
2.2.1岩石材料的颗粒流程序表达
2.2.2岩石压缩破坏过程的细观模拟研究
2.2.3岩石节理面剪切破坏细观机理研究
2.3裂隙表面形态数学描述及特性研究
2.3.1裂隙表面形态特征函数
2.3.2裂隙表面形态特征理论研究
2.4粗糙节理面随机强度模型
2.4.1单个长方体凸起剪切破坏分析
2.4.2随机强度模型建立
2.4.3物模试验验证
2.4.4随机模型中参数影响
2.5地下洞室围岩裂隙开裂判断方法及其应用
2.5.1工程研究背景
2.5.2裂隙扩展判据
2.5.3裂隙扩展判断方法与计算流程
2.5.4工程应用概况
2.5.5数值模拟计算与分析
2.5.6分析和讨论
2.6本章小结
参考文献
第3章粗糙节理面剪切渗流耦合试验及数值模拟研究
3.1岩石节理水力耦合特性研究
3.1.1节理裂隙水力学性质描述
3.1.2自然岩石节理渗流性质研究
3.1.3岩石节理水力耦合研究
3.1.4岩石结构面渗流特性研究新进展
3.1.5小结
3.2剪切渗流耦合机理试验研究
3.2.1试验装置概括
3.2.2数控伺服系统的建立
3.2.3岩石试件准备及表面数据测量
3.2.4剪切渗流试验过程
3.2.5试验结果分析
3.2.6小结
3.3节理裂隙剪切渗流耦合试验数值模拟研究
3.3.1试验描述
3.3.2试验过程中力学开度的应用方法
3.3.3数值计算控制方程
3.3.4边界条件和接触面积的处理方法
3.3.5结果比较和分析
3.3.6小结
3.4本章小结
参考文献
第4章粗糙节理面渗流计算模型和溶质运移机理研究
4.1考虑分形特征的节理面渗流计算模型研究
4.1.1节理面渗流计算分形模型
4.1.2节理面分形维数计算
4.1.3节理渗流计算公式的验证
4.1.4修正参数的分析与讨论
4.1.5小结
4.2溶质运移数值模拟
4.2.1运移场控制与方程与边界条件
4.2.2运移场模拟结果分析
4.2.3考虑吸附作用的溶质运移
4.2.4小结
4.3本章小结
参考文献
第5章裂隙岩体锚固机理和理论模型
5.1裂隙岩体基本变形规律研究
5.1.1裂隙岩体几何特性研究
5.1.2节理变形特性研究
5.2岩石节理面锚固作用机理
5.2.1节理岩体锚杆局部应力和变形性质
5.2.2数值计算公式
5.3岩石节理面剪切试验颗粒流模拟
5.3.1数值模型的建立及细观参数的确定
5.3.2加锚节理面直剪试验数值模拟
5.3.3小结
5.4节理面有限元计算模型
5.4.1二维线性节理单元刚度矩阵
5.4.2初应力引起的结点荷载
5.4.3锚杆对节理面“销钉”作用
5.5加锚岩石节理有限元计算方法
5.5.1节理面计算方法
5.5.2锚杆对节理加固作用有限元计算过程
5.6本章小结
参考文献
第6章加锚裂隙岩体计算模型研究及应用
6.1加锚节理面应力和变形研究
6.1.1压剪应力状态下节理面变形特点与锚杆应力分析
6.1.2拉剪应力状态下节理面变形特点与锚杆应力分析
6.2加锚裂隙岩体本构关系
6.2.1压剪应力状态下的本构关系
6.2.2拉剪应力状态下的本构关系
6.3损伤与弹塑性耦合有限元实现
6.3.1损伤演化方程
6.3.2损伤与弹塑性耦合实现的基本方法
6.3.3材料非线性问题增量解法一般原理
6.3.4增量变塑性刚度法的基本思想
6.3.5迭代方法
6.3.6程序功能
6.4加锚裂隙岩体损伤模型在地下洞室群工程中的应用
6.4.1工程算例一
6.4.2工程算例二
6.5结论
6.5.1大岗山数值计算结论
6.5.2琅琊山数值计算结论
6.5.3综合结语
6.6本章小结
参考文献
第7章渗透压力作用下加锚裂隙岩体损伤模型研究
7.1渗透压力作用下裂隙面上有效应力计算
7.2渗透压力作用下加锚裂隙岩体损伤模型
7.2.1压剪应力状态下本构关系
7.2.2拉剪应力状态下本构关系
7.3工程应用研究
7.3.1工程概况
7.3.2计算模型
7.3.3计算参数
7.3.4计算结果
7.3.5结论
7.4本章小结
参考文献

精彩书摘

第1章引言
历史上的地质构造运动和风化卸荷作用,使得岩体结构中含有大量不同方向?规模?产状的非连续性结构面(节理?断层?裂隙),从而导致岩体在工程结构和力学性能上不同于其他工程材料,呈现非均质?非线性?非连续的各向异性;同时又成为岩体工程地下水流的主要通道,使得岩体渗透特性亦不同于一般孔隙介质,呈非均匀性和各向异性,形成节理岩体?节理岩体中的空隙有以下三类?
(1) 孔隙(pores)?若岩石中的空隙在各方向的尺寸属于同一量级,则称为孔隙?岩石中的孔隙分为水力连通孔隙和水力不连通孔隙两类?水力连通孔隙和土壤中的孔隙相类似,是完整岩石中的渗水通道?
(2) 裂隙(fractures)?若岩石中的空隙在某一方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸(达米级以上),则称为裂隙(岩石力学中称为结构面);若某一方向延伸很长,其他两个方向均相对较小,则称为溶洞(karst cave)或孔洞?若岩石中无裂隙存在,则称为完整岩石(intact rock);若岩石中有裂隙发育,则称为裂隙岩石(fractured rock)?从渗水性上可视完整岩石为微孔隙介质(porous media)?
这些空隙的存在增加了岩体物理力学性能的复杂性,另一方面也为地下水提供了储存和运移的场所,对其进行重点研究的必要性体现在许多应用学科进一步发展的需求和一些重大的急需解决的实际工程问题中,如水利水电工程?岩土工程?石油工程以及近年来在国际上成为研究热点的高放射性核废料地下储存等?
(3) 微裂隙(microfissures)?若岩石中的空隙在一个方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸,且最长的尺寸也是微小的,则称为微裂隙?多数岩石为脆性材料,在其形成过程中受到多种环境影响而出现微裂纹,被视为材料的缺陷?微裂纹分布既有完全随机的,也有大体定向的?微裂纹尖端产生的应力集中现象,对岩石的强度有重大影响?应力环境对微裂纹的宽度有影响,因而其渗透性和应力环境有明显的相关性?
1.1研 究 背 景
随着二氧化碳地下封存?高放射性核废料地下处置?垃圾填埋等特殊工程的兴建,围岩裂隙体稳定性问题?裂隙介质中地下水流动问题以及污染物随着水流的运移问题近几年越来越受到人们的关注?地下工程的开挖建设对周围裂隙岩体产生较大的扰动,改变其应力和位移场的分布情况,围岩裂隙中的渗流和溶质运移特征也会因此发生改变,而这对污染物的地下封存与隔离效果有着至关重要的影响?岩体中存在的孔隙和裂隙等缺陷不但大大改变了岩体的力学性质(变形模量和强度参数降低?岩体呈各向异性),而且严重影响着岩体的渗透特性?裂隙岩体的渗流场受应力环境的影响,而渗流场的变化反过来又对应力场产生影响,这种相互影响称为应力渗流耦合?渗流场与应力场相互耦合是岩体力学中的一个重要特性?岩体渗流研究在各种地质工程应用中占有重要的地位,如采矿和石油工程?核废料储存工程?在当前日益增长的环境控制条件下,流入开挖区域水量的估计和污染矿水的排泄程序都是地下工程的发展和运营时期的重要影响因素;在核废料储存工程中,地下水的辐射污染也需要特别注意和预防?要发展一种适合裂隙岩体应力渗流耦合分析模型,充分理解岩石裂隙内水的流动机制是非常关键的?
岩体中节理裂隙的存在严重削弱了岩体强度,降低了岩体的弹性模量,而且,岩体中存在的结构面在外部荷载作用下往往更容易发生错动和离层等变形?为限制裂隙和岩石变形?提高岩体强度和工程结构稳定性,岩体工程需要采取适当的加固措施?作为岩体支护的主要手段之一,锚杆已广泛应用于隧道工程?地下工程?采矿工程?堤坝工程和水利水电等各种工程中?研究发现:在节理岩体中,节理面和锚杆相互作用,节理面对锚杆产生剪切作用,锚杆同时限制了节理面变形,致使锚杆在节理面附近发生明显弯折和变位,锚杆的变形往往远大于岩体的变形,但目前锚杆计算模型尚不能有效反映这一特性?本书对锚杆在节理面附近的局部变形和受力状态?节理�裁�杆加固系统模型进行深入的分析和研究,并将研究成果应用于地下洞室群的稳定性分析中,取得了较好的效果?
1.2节理裂隙应力渗流耦合机理研究综述
在水利水电?石油开采和核废料储存等工程中都存在许多岩石节理渗流问题?在岩体介质中,空隙的尺寸和连通程度一般都远小于岩体中节理裂隙,而且裂隙的水力传导系数远远大于完整岩石中孔隙的渗透系数,因此裂隙网络是岩体中水运动的主要通道?单裂隙面是构成岩体裂隙网络的基本元素,岩体的渗透性能和渗透方向不仅与裂隙网络的发育?切割特征有关,还与单个裂隙的几何特征(如裂隙的宽度?方向?粗糙性和充填性等)密切相关?因此,要研究岩石水力学和合理地预测工程岩体中复杂的渗流状态,必须从单裂隙面的渗流特性这一基础性课题入手,首先对单一裂隙的水力特性进行研究?
岩石裂隙水力耦合作用主导着裂隙中水流和溶质运移行为?人们很早就开始对裂隙的剪切渗流耦合机理以及介质中地下水溶质运移进行了探索研究,并且在试验研究?理论分析和计算方法等方面取得了一定成果?然而,由于岩体裂隙系统本身错综复杂,在各种作用力的影响下,其空间几何因素的复杂性?渗透系数的各向异性和弥散系数不确定性加大,使得该研究变得非常困难?Wels和Smith[1]指出裂隙网络中的溶质运移机理取决于单裂隙中溶质运移特点,因此研究扰动作用下裂隙网络中水流和溶质运移特性,应以研究单裂隙在剪切过程中地下水流动状态和溶质运移机理为基础,探索裂隙介质中渗透性?对流?弥散?吸附等特征?地下水流动和溶质运移特征受很多因素影响,如水的黏度?流速?裂隙的连通性?隙宽?裂隙面的粗糙度及一些参数的尺寸效应等[2,3],而剪切作用使这些因素变得更加复杂?早期关于单裂隙介质中水流与溶质运移成果多数是基于光滑平行板裂隙的理想简化模型,而自然界中裂隙表面一般是粗糙不平的,此外Isakov等[4]也认为裂隙水流与溶质运移研究进展缓慢的原因不仅是影响因素繁多,还有裂隙面的几何特征的描述比较困难?因此合理描述裂隙表面粗糙特征,开展剪切过程中单个粗糙裂隙中水流与溶质运移机理研究具有重要意义?粗糙裂隙在剪切作用下的渗流与溶质运移研究主要针对剪切作用影响下裂隙中水流与溶质运移规律以及模拟方法,研究内容可以归纳为以下几个方面:①剪切作用影响;②粗糙裂隙介质;③流体渗流;④溶质运移;⑤水流与溶质运移之间的相互关系?研究粗糙裂隙中溶质运移首先要以研究裂隙中水的渗透特性为基础,水的渗透性又直接受到裂隙表面的粗糙形貌影响,而剪切作用则直接改变节理裂隙的形貌特征?
1.2.1岩石裂隙表面形貌描述方法研究
自然中大多数裂隙面都是凹凸不平的,裂隙表面形态特征对节理面的剪切作用?流体流动的曲折性和溶质运移的弥散特性等都有重要的影响?定量地描述裂隙表面形态进而确定合理的表面形态参数对研究裂隙中流动特性以及建立形态特征参数与流动特性之间的定量关系具有重要的意义?描述裂隙表面形态特性方法因测量方式和实际应用而异?总的来说,人们对裂隙表面形态研究方法大致可以分为几何形状假设方法?统计学方法和分形几何方法三大类?
1. 几何形状假设方法
几何形状假设方法一般把裂隙表面形貌假设为由一系列不同几何形状的微小凸起组成,基于每个凸起之间的作用机理得到整个节理面的力学反应?常见的形貌假设主要有平行板假设?锯齿形表面凸起假设?球形凸起假设和长方形凸起假设等?
(1) 平行板假设?早期的研究一般把粗糙裂隙面简化为由两个相互平行的板面组成,这是最简单的假设方法,常用的立方定理就是基于该模型推导得出的?然而由于自然裂隙面一般是粗糙不平的,与理想的光滑平行板表面相差较远,所以该假设会使计算产生较大的偏差?
(2) 锯齿形表面凸起假设?该假设把起伏不平的裂隙表面形态简化为具有相同角度的规则齿形和不同倾角的不规则齿形?Johnston和Lam[5]?Seidel和Haberfield[6]?Yang等[7]?Yang和Chiang[8]都对锯齿形表面进行了大量的研究,分析了倾角?齿距等参数与裂隙面力学特性之间的定量关系?锯齿形表面凸起假设是最为常见的形貌假设方法?
(3) 球形凸起假设?1966年Greenwood和Williamson[9]把裂隙表面简化为球形凸起,并推导出两个球体之间的接触作用?Brown和Scholz[10]应用Greenwood和Williamson所得的理论结果,把裂隙上下表面均假设为由半径不同的球体组成,并且推导了裂隙面的闭合特性?由曲率不同的球形凸起组成的裂隙表面与自然裂隙形貌最接近,然而由于球体之间相互作用的理论解难以求出,导致该几何形貌假设下裂隙面之间相互作用的解析解难以得到?
(4) 长方形凸起假设?该假设一般由一系列尺寸不同的微小长方体概化组成粗糙节理表面?Kown等[11]依据该表面形状假设,推导得出了裂隙面的剪切强度模型?该形貌假设的优点是当长方形尺度选择合适时,能够较好地反映节理面形貌,并基于此可以推出节理面受力反应的最终状态,但是全面地考虑到具体作用过程存在一定的难度?
2. 统计学方法
统计学方法一般是通过分析裂隙的二维粗糙线得到裂隙表面形态描述参数?常用的统计学方法有粗糙度系数法?统计学参数法和地质统计参数法等?
1) 粗糙度系数法
粗糙度是衡量节理裂隙面相对于平面的波动起伏程度的指标,对裂隙中流体流动的曲折性有重要的意义?Barton[12]从工程角度出发,研究具有不同表面形态的节理面力学行为,并在此基础上提出了节理粗糙度综合描述参数,其中节理面粗糙度系数JRC得到普遍的认可,至今该系数仍被广泛应用于各种工程实际中?1976年Barton和Choubey[13]通过对136条节理面形貌进行统计分析,按其粗糙程度大小,将节理粗糙度系数划分为10级,相应的JRC取值为0~20?在进行实际的粗糙度评价时,可将相同尺寸的被观测节理面表面形状与10条标准剖面线比较,并选取最接近的JRC作为其取值大小?然而,Kulatilake等[14]认为JRC仅可以用来表征平稳粗糙度,不能用来反映非平稳粗糙度;Maerz等[15]认为JRC并不具有严格的几何意义,它的确定方法包含主观因素,因而失去了科学上的唯一性和严谨性,可能引起预测的节理裂隙力学行为出现严重偏差?
2) 统计学参数法
自然岩石裂隙表面一般是粗糙不平的不规则几何面,因此可以采用统计学参数或者函数来描述?常见的统计学参数通常包括节理凸台高度?倾角?形状和分布等[15,16],可以把它们大致分为三类[17]?
(1) 振幅参数?主要是用来反映粗糙表面凸台高度变化情况的参数,如中线均值C?凸台高度的均方值M?均方根R和绝对粗糙度k?
(2) 斜率参数?主要是反映裂隙面凸台形状的参数,如凸台高度的一阶导数即斜率Z2?二阶导数即曲率Z3?平均微角i和粗糙度指数Rp等?
(3) 混合参数?即同时涉及振幅变化和凸台斜率变化的参数,如自相关函数AC?结构函数S和谱密度函数等?
统计学描述参数多达十几个,如此多的参数似乎足以用来描述粗糙裂隙的表面形态,然而实际情况却远非如此?Bahat[18]引入14个不同参数来描述裂隙表面形态,这些参数涉及表面几何形貌的各个方面,但仍没有得到普遍的公认?由此可见,描述裂隙表面几何特征的参数并不是越多越好?当这些描述指标体系中的参数多到一定程度时,整体的描述精度反而会由于体系复杂性的增加而下降?
3) 地质统计参数法
在岩石裂隙表面形貌定量描述的进展中,另一值得注意的方法为地质统计学方法?该方法的基本函数一般为经验方差函数和半经验方差函数,定义为振幅变化的均方值[17]?研究表明,地质统计学的相关参数,如基台值?变程等,可以用来描述裂隙表面形态?Ferrero和Giani[19]认为方差函数和JRC之间存在某种关系,Roko等把方位角等参数引入方差函数中,得到了用极坐标来描述粗糙节理面各向异性的方法[17]?
3. 分形几何方法
法国数学家Mandelbrot在1973年首次提出了分维的设想,并创造了“分形(fractal)”这个新术语?后来Mandelbrot[20]又提出了分形几何,用来描述自然界不规则以及杂乱无章的现象和行为?与欧氏几何有着本质不同的是,分形

前言/序言

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