洞周岩体内裂纹水力劈裂临界水压分析计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究

运用数值流形法在非连续介质领域的独特优势,并结合断裂力学的基本原理,分析了重力坝的水力劈裂破坏问题,实现了重力坝起裂、扩展和渐进破坏的全过程。充分发挥应力强度因子判别法和带抗拉强度的摩尔-库仑破坏准则各自的优势,根据不同情况选取其中某种方法确定断裂和扩展方向,且不需要预制初始裂纹。选取一个算例两种工况分析了重力坝在不考虑裂纹面内水压力和考虑裂纹面内水压力的水力劈裂破坏情况。计算结果表明,在重力坝的水力劈裂中,当不考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹向下游和深部扩展,上游折坡点处裂纹属于压剪型破坏;当考虑裂纹面内水压力时,坝踵处裂纹偏向深度方向扩展,折坡点处的裂纹逐渐由压剪破坏变成了拉剪破坏,并且考虑裂纹面内水压力后坝体破坏所需要的时步减少,故而考虑裂纹面内水后降低了重力坝的安全系数。该方法加深了对重力坝水力劈裂破坏的认识,具有较大的实际应用价值。     

考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度分析

修建大坝、隧洞等工程活动必将对其周围岩体产生扰动,导致赋存于岩体裂隙中的水产生附加水压,从而使岩体在扰动荷载和裂隙水压作用下沿裂隙面失稳扩展。首先基于夹杂理论,推导出扰动荷载所引起的裂隙附加水压的解析式,并应用数值分析进行验证,然后分析裂隙附加水压随岩石力学性质、裂隙形状以及裂隙倾角的变化规律。其次,应用岩石压剪断裂准则,推导出考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度解析式。最后结合算例,进一步探讨了裂隙附加水压对岩体断裂强度的影响规律。结果表明,裂隙附加水压降低了岩体断裂强度,增大了岩体发生断裂破坏的倾角范围,使岩体更易于沿裂隙面发生水力劈裂失稳破坏;另外,岩石弹性模量、裂隙形状因子以及裂隙倾角对裂隙附加水压有显著影响,岩体断裂强度随岩石弹性模量和裂隙形状因子的增大而增大,且随裂隙倾角的增大,其增大的趋势更加明显。     

双向压缩条件下闭合裂隙岩体断裂破坏机制及渗透压环境判定准则

在研究双向压缩条件下压剪复合型裂纹应力分布特征及断裂破坏机制基础上,考虑渗透压对初始裂隙面上有效正应力的影响,提出高低渗透压环境的判定准则,并基于滑动裂纹模型理论及最大周向拉应力破坏准则,得到不同渗透压环境下初始裂隙尖端微裂纹起裂特征与规律。研究结果表明：压剪复合应力条件下,初始裂隙尖端发育微裂纹的最优倾角与裂隙面摩擦系数直接相关,随裂隙面摩擦系数的增大,最优初始裂隙倾角由45°起逐渐增大;低渗透压条件下,渗流场的存在使裂纹面摩擦系数发生弱化,进而使得最优初始裂隙倾角向45°靠近,而渗透压直接降低裂隙面上有效正应力且与裂隙倾角无关,其仅仅影响裂隙体材料的初裂强度;高渗透压条件下,初始裂隙面由压剪复合应力状态转化为拉剪复合应力状态,并在拉剪复合应力场作用下,尖端微裂纹起裂角随KI/KII的不断增大,由70.5°逐渐趋近于0°。     

压剪应力状态下岩石复合型断裂判据的研究

考虑岩石闭合裂纹壁面间存在的摩擦力对裂纹尖端应力场的影响,应用最大周向应力理论得到压剪复合裂纹的断裂角。在此基础上,依据岩石裂纹尖端双向受力时的破坏特征,结合最大周向应力准则与修正的格里菲斯（Griffith）强度理论,建立了考虑摩擦效应的闭合裂纹失稳扩展的岩石压剪断裂判据。研究结果表明：断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹壁面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响;当压剪裂纹的断裂角是某个定值时,纯II型裂纹的断裂韧度与纯I型裂纹的断裂韧度的比值只与岩石裂纹表面的摩擦系数取值有关,而与其他岩石力学参数无关。此研究成果可为压剪应力作用下裂隙岩体的失稳破坏提供参考。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

单孔岩样水压致裂的数值分析

水压致裂是改变岩体结构的一种天然行为和人为手段。采用F－RFPA2D软件,对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。将开始出现声发射的水压称为微裂压力,将声发射急剧增多、裂缝非稳定扩展直至岩样破坏的水压称为破裂压力。岩样尺寸一定时,微裂压力和破裂压力随内孔面积增加而降低,方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力和破裂压力随围压或岩样强度增加而增加,且其差值随岩样强度增加而增加,理论破裂压力与模拟值趋势基本一致。方形孔的宏观裂纹起裂位置多在角点附近,而圆形孔比较随机。无围压时,宏观裂纹的延伸方向随机;有围压时,宏观裂纹扩展方向大致与主应力方向一致,且沿较大主应力方向的宏观裂纹扩展至岩样破坏,较小主应力方向宏观裂纹不完全发育。研究结果对水压致裂试验和工程实践有一定参考意义。     

水力耦合作用下玄武岩启裂机制与临界水压研究

为了研究岩石在水力耦合作用下的启裂机制,针对溪洛渡玄武岩开展了水力耦合三轴试验与声发射测试。试验结果表明：玄武岩峰值强度随着围压的增大而增大,表现出典型的硬脆性行为;当围压保持不变时,其峰值强度随初始水压增大而逐渐降低,同时硬脆性减弱。声发射测试结果表明：玄武岩在水力耦合作用下的裂纹启裂为张拉破坏,在裂纹稳定扩展阶段以张拉破坏为主,以剪切破坏为辅,且这些破坏均主要发生在岩石中部;在裂纹非稳定扩展的峰后阶段,岩石破裂以剪切破坏为主。在玄武岩启裂机制认识的基础上,基于单一圆孔理论推导得到水力耦合条件下岩石裂纹启裂的临界水压破坏准则,并将其引入玄武岩水力耦合三轴试验数值仿真,分析了玄武岩水力耦合破坏过程与水压分布规律,验证了临界水压破坏准则的合理性,对于水力耦合作用下岩石破坏过程研究具有较好的参考价值。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

绿泥石片岩各向异性特性研究

为研究十堰地区片岩的各向异性特性,开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验,探讨了试样各向异性的力学特性和在不同受力状态下的变形破裂特性,揭示了不同变形破裂的力学机制。研究表明,武当群绿泥石片岩具有明显的各向异性性质,平行片理方向强度高,垂直片理方向强度低。该片岩特殊的定向排列片束状构造和片理间的弱胶结作用,致使不同方向上的破坏特征具有明显差异,其力学机制也不相同。在压应力作用下,泊松效应容易引起平行片理面的张拉劈裂和压杆失稳,垂直片理方向容易发生片理面间的剪切破坏。在同一方向上强度具有一致性,即平行片理面抗压和抗拉强度均较垂直片理面强度大。由于片理面间的抗拉承载力极低,在小角度劈裂荷载下,容易发生张拉劈裂和拉剪破坏,因此,实际工程中应尽可能避免片理面间的受拉破坏和沿片理的拉剪破坏。研究结果可以为隧道、边坡支护加固和防水处理提供参考。     

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

预制横缝条件下水力裂缝的起裂和扩展

针对高角度天然裂缝发育地层中的水平井水力压裂问题,开展了水力裂缝自天然裂缝处起裂扩展的理论和试验研究。尝试将天然裂缝简化为与井筒轴线垂直的横向裂缝,基于线弹性断裂力学理论和最大拉应力准则,给出了水力裂缝起裂压力和扩展过程中应力强度因子的计算方法。利用预制横缝模拟高角度天然裂缝,开展了室内水力压裂试验,对水力裂缝的扩展形态和起裂压力进行了研究。理论计算表明,（1）水力裂缝自预制横缝端部起裂后,扩展距离超过1倍的预制横缝端部半径时可将预制横缝和水力裂缝合并起来,整体视作一条横向裂缝来计算应力强度因子;（2）水力裂缝尖端距井壁处的距离大于4倍的井筒半径时,应力强度因子的计算可忽略井筒的影响,近似采用硬币形裂缝的计算公式。试验研究发现,（1）水力裂缝在预制横缝端部起裂并扩展,形成与井筒轴线垂直的横向裂缝,裂缝的扩展呈现出Ⅰ型断裂的特点,形态近似呈圆形,未发现与井筒轴线平行的纵向裂缝的起裂和扩展;（2）排量对破裂净压力和起裂净压力有重要影响,大排量会导致较高的破裂净压力和起裂净压力,在大、小两种排量下起裂净压力的离散性均较小,计算得到的KⅠ临界断裂值的离散性也较小。研究结果可为改善裂缝发育储层的近井裂缝形态提供指导,也可为煤矿开采中预制横向切槽的水力压裂设计提供参考。