基于离散单元法的裂隙岩体渗流场与应力场耦合特性研究

摘要

目前，随着经济的发展，人类的工程活动日益频繁，如岩体边坡的设计，水利水电工程的渗流与控制、水库诱发地震的控制、有害核废料的处置、矿井的疏干降压排水、石油和地热能的开发以及地下水资源的开发与利用等等，都涉及岩体作用力、岩体地应力、地下水渗透力的相互作用及其耦合问题。因此，研究岩体中地下水的活动规律以及渗流场和应力场的耦合问题，已成为岩土工程界普遍关注的课题，也是一项具有理论研究价值和实际工程应用背景的重大课题。本文在充分认识国内外裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究的基础上，采用理论分析、数值模拟、工程应用相结合的方法，对裂隙岩体渗流场与应力场的相互作用进行了全面、深入的研究，主要研究成果如下： (1)总结和归纳了裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数学模型，数值计算方法及耦合理论等方面的研究状况，对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型、离散网络介质模型以及双重介质模型的特点和使用条件做了系统阐述和比较，并对他们的有限元求解方法进行了论述，指出了目前研究中存在的问题。 (2)介绍了裂隙岩体渗流的基本理论。以NaVier-Stokes方程为基础，推导了立方定律，在此基础上，推导出变隙宽裂隙渗流的基本方程，并对裂隙岩体渗流与应力的关系进行了总结。 (3)建立了裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散元求解模型，并用离散元分析软件对单裂隙岩体渗流与应力的关系进行了数值模拟，表明孔隙水压力的存在且在较小的情况下则相当于抵消了一部分侧压，使闭合量变小。当孔隙水压力逐渐增大并超过某一值时，裂隙面的法向位移为正，裂隙张开。 (4)对某节理裂隙岩体库岸边坡蓄水水位升高直至边坡破坏的过程进行了数值模拟，对这一过程中渗流场、位移场、应力场的变化情况进行了详细的分析研究，并对水位6m时的边坡采用耦合算法和非耦合算法分别进行了计算，把两种算法的计算结果进行了对比分析，结果表明：渗流场和应力场在一定条件下相互影响很大，不考虑耦合的结果是偏于不安全的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2裂隙岩体渗流的特点

1.3渗流与应力耦合的研究现状

1.3.1岩体渗流-应力耦合模型的建立方法

1.3.2耦合模型的计算方法

1.3.3岩体渗流应力耦合理论

1.3.4裂隙岩体渗流-应力耦合的数学模型

1.4本文的研究方法和主要内容

1.4.1本文的研究方法

1.4.2本文的主要内容

第2章 裂隙岩体渗流的基本理论

2.1岩体的裂隙性

2.2结构面的几何特征

2.2单一裂隙渗流的基本规律

2.2.1立方定律的推导

2.2.2变隙宽单裂隙渗流分析

2.2.3立方定律的修正

2.3单裂隙渗流与应力耦合研究

2.3.1水对岩石力学性质的影响

2.3.2渗透性质与应力关系方程分析

2.3.3正应力作用下岩体中单裂隙渗流公式

2.3.4剪应力作用下岩体中单裂隙渗流公式

2.4本章小结

第3章 裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3.1等效连续介质模型

3.1.1等效连续介质渗流应力的耦合机理

3.1.2等效连续介质渗流场与应力场耦合的数学模型

3.2离散裂隙网络模型

3.2.1岩体裂隙网络渗流与应力耦合机理

3.2.2裂隙网络岩体三维渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3.3双重介质模型

3.3.1狭义双重介质渗流模型

3.3.2双重介质体系中岩体应力场模型

3.3.3岩体裂隙网络系统应力与渗流关系模型

3.3.4双重介质体系中岩体渗流场与应力场的耦合模型

3.4本章小结

第4章 裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散元求解模型

4.1离散单元法的基本原理

4.1.1物理方程

4.1.2运动方程

4.2离散元程序UDEC

4.3节理岩体渗流计算

4.3.1概述

4.3.2渗流计算法则

4.4本章小结

第5章 裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数值模拟

5.1单裂隙岩体渗流应力关系的数值模拟

5.1.1几何模型

5.1.2物理力学参数

5.1.3结果分析

5.2裂隙岩体渗流场与应力场耦合的算例分析

5.2.1模型概况

5.2.2计算结果整理

5.2.3渗流场与应力场耦合分析

5.3本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研成果与发表论文情况

致谢