水力耦合作用下非貫通裂隙擴展機制及流形元模擬

《水力耦合作用下非貫通裂隙擴展機制及流形元模擬》是依託武漢大學，由位偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水力耦合作用下非貫通裂隙擴展機制及流形元模擬
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：位偉
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

本項目擬採用室內試驗、理論推導以及數值分析相結合的方法，研究裂隙網路在水-力耦合作用下的演化機理及其數值流形方法的模擬。通過對含非貫通裂隙試件進行複雜應力條件下的滲流試驗，研究水-力耦合作用下裂隙試件的滲透特性演化規律及裂紋擴展機制，建立包括應力場、裂隙滲流場、裂隙擴展等因素在內的裂隙網路水-力耦合演化的數學模型。結合數值流形方法，建立考慮節理岩體水-力耦合的、裂隙網路動態演化的數值分析模型，並研發高效可靠的計算軟體。最後，結合實際工程開展套用研究，為我國水電、交通、能源開發、核廢料地質處置等工程岩體的滲控最佳化設計和穩定性分析提供理論支持。

結題摘要

在我國水電、交通、能源等基礎設施建設以及礦山開採中，普遍涉及到複雜地質環境下岩體的開挖與加固、滲流與控制、變形與穩定等問題。為了探尋工程岩體在這些外荷載作用下的滲透、力學特性的變化規律，本項目採用了室內試驗、理論推導以及數值分析相結合的方法，在以下幾個方面開展研究： ① 開展了含單組非貫通裂隙岩石在單軸壓縮荷載試驗，並通過接收和分析試驗過程中聲發射數來研究含非貫通裂隙試件聲發射特性和破壞模式。試驗結果分析表明，裂隙傾角不僅使得材料的抗壓強度呈現出明顯的各向異性特徵，而且在破裂過程中對應的AE參數，如事件數、累積事件數等也表現出不同的變化規律。 ② 針對岩體在裂紋擴展時在裂紋尖端存在著帶狀微裂紋區這一特徵，引入了粘結裂紋模型模擬這一區域，基於數值流形方法發展了模擬裂隙岩體裂紋擴展的數值計算方法，通過對三點簡支梁、L型平板的開裂過程進行數值模擬驗證了本文所提算法的正確性及有效性。 ③ 針對岩體非連續變形特性，建立了基於連續梁模型的岩石錨桿模型，在岩塊內部採用常規梁單元，在節理面附近，針對該區域的錨桿變形特徵，採用考慮剪下變形的梁單元，基於數值流形方法的基本原理，發展了錨固岩體的數值流形模擬方法。通過與物理實驗結果對比，驗證了該模型在計算加錨岩體變形時的有效性，並將其套用到某地下廠房圍岩穩定及加固支護措施效果分析中，為類似岩體支護工程的設計和計算提供參考。 ④ 針對原有數值流形方法在計算發生大變形、大轉動時出現較大的誤差這一問題，本項目從當前構形的動量守恆方程以及應力邊界條件的積分弱形式出發，通過引入流形方法的插值函式，建立了基於有限變形理論的數值流形方法並通過兩個典型的算例驗證了基於有限變形數值流形方法的有效性。 ⑤ 為了正確計算岩體發生大變形時塊體之間的接觸力，本項目從接觸問題的基本方程（Kuhn-Tucher條件）出發，在基於有限變形理論的數值流形方法框架下，採用基於粘結方法（Mortar method）的邊-邊接觸方式處理接觸面的離散，通過引入Lagrange 乘子建立接觸約束，推導了新的接觸方程。並通過兩個典型的算例驗證了所提方法的有效性。這些算法方面的改進為後續實現滑坡動力學全過程模擬提供了理論基礎。 總的來說，以上研究成果為我國礦山開採、交通建設、水電能源開發等工程岩體的穩定性分析及滲控最佳化設計提供理論支持。