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內容簡介

節理岩體應力滲流耦閤機理及錨固理論是岩土工程及其相關領域的重要科學和技術問題。《裂隙岩體應力滲流耦閤特性及錨固理論》圍繞這一關鍵問題開展係統研究：研製瞭新型數控剪切滲流耦閤試驗係統，可在恒定法嚮荷載和恒定法嚮剛度邊界條件下進行裂隙麵的應力滲流耦閤試驗；基於試驗和數值模擬研究，係統分析粗糙裂隙麵剪切破壞機理和溶質運移特性，建立瞭粗糙裂隙麵的剪切強度模型和滲流計算模型；基於顆粒離散元法，係統分析裂隙麵—漿體—錨杆耦閤作用機理，揭示瞭裂隙麵的錨固機理，提齣瞭裂隙岩體錨固中“宏細觀耦閤支護”的概念，建立瞭錨固裂隙岩體斷裂損傷理論模型和計算方法；結閤自洽理論和應變能等效原理等，建立瞭滲透壓力作用下裂隙岩體應力滲流耦閤模型；基於以上理論模型和計算方法，係統開展工程應用研究。

目錄

前言
第1章引言
1.1研究背景
1.2節理裂隙應力滲流耦閤機理研究綜述
1.2.1岩石裂隙錶麵形貌描述方法研究
1.2.2岩石裂隙滲流特性描述方法
1.2.3正應力對岩石節理滲透性影響的試驗研究
1.2.4剪切變形對岩石節理滲透性影響的試驗研究
1.2.5岩石裂隙滲流應力耦閤模型研究
1.2.6岩石裂隙中溶質運移研究
1.3裂隙岩體錨固研究綜述
1.3.1試驗及理論分析方麵
1.3.2數值分析方麵
1.4本書主要內容
參考文獻
第2章粗糙節理麵剪切破壞機理和強度模型
2.1岩體節理剪切試驗裝置開發與試驗研究
2.1.1新型岩體剪切試驗裝置的開發背景
2.1.2直剪試驗裝置的硬件和軟件係統
2.1.3岩石裂隙的剪切力學行為的試驗研究
2.2結構麵剪切破壞細觀機理數值模擬研究
2.2.1岩石材料的顆粒流程序錶達
2.2.2岩石壓縮破壞過程的細觀模擬研究
2.2.3岩石節理麵剪切破壞細觀機理研究
2.3裂隙錶麵形態數學描述及特性研究
2.3.1裂隙錶麵形態特徵函數
2.3.2裂隙錶麵形態特徵理論研究
2.4粗糙節理麵隨機強度模型
2.4.1單個長方體凸起剪切破壞分析
2.4.2隨機強度模型建立
2.4.3物模試驗驗證
2.4.4隨機模型中參數影響
2.5地下洞室圍岩裂隙開裂判斷方法及其應用
2.5.1工程研究背景
2.5.2裂隙擴展判據
2.5.3裂隙擴展判斷方法與計算流程
2.5.4工程應用概況
2.5.5數值模擬計算與分析
2.5.6分析和討論
2.6本章小結
參考文獻
第3章粗糙節理麵剪切滲流耦閤試驗及數值模擬研究
3.1岩石節理水力耦閤特性研究
3.1.1節理裂隙水力學性質描述
3.1.2自然岩石節理滲流性質研究
3.1.3岩石節理水力耦閤研究
3.1.4岩石結構麵滲流特性研究新進展
3.1.5小結
3.2剪切滲流耦閤機理試驗研究
3.2.1試驗裝置概括
3.2.2數控伺服係統的建立
3.2.3岩石試件準備及錶麵數據測量
3.2.4剪切滲流試驗過程
3.2.5試驗結果分析
3.2.6小結
3.3節理裂隙剪切滲流耦閤試驗數值模擬研究
3.3.1試驗描述
3.3.2試驗過程中力學開度的應用方法
3.3.3數值計算控製方程
3.3.4邊界條件和接觸麵積的處理方法
3.3.5結果比較和分析
3.3.6小結
3.4本章小結
參考文獻
第4章粗糙節理麵滲流計算模型和溶質運移機理研究
4.1考慮分形特徵的節理麵滲流計算模型研究
4.1.1節理麵滲流計算分形模型
4.1.2節理麵分形維數計算
4.1.3節理滲流計算公式的驗證
4.1.4修正參數的分析與討論
4.1.5小結
4.2溶質運移數值模擬
4.2.1運移場控製與方程與邊界條件
4.2.2運移場模擬結果分析
4.2.3考慮吸附作用的溶質運移
4.2.4小結
4.3本章小結
參考文獻
第5章裂隙岩體錨固機理和理論模型
5.1裂隙岩體基本變形規律研究
5.1.1裂隙岩體幾何特性研究
5.1.2節理變形特性研究
5.2岩石節理麵錨固作用機理
5.2.1節理岩體錨杆局部應力和變形性質
5.2.2數值計算公式
5.3岩石節理麵剪切試驗顆粒流模擬
5.3.1數值模型的建立及細觀參數的確定
5.3.2加錨節理麵直剪試驗數值模擬
5.3.3小結
5.4節理麵有限元計算模型
5.4.1二維綫性節理單元剛度矩陣
5.4.2初應力引起的結點荷載
5.4.3錨杆對節理麵“銷釘”作用
5.5加錨岩石節理有限元計算方法
5.5.1節理麵計算方法
5.5.2錨杆對節理加固作用有限元計算過程
5.6本章小結
參考文獻
第6章加錨裂隙岩體計算模型研究及應用
6.1加錨節理麵應力和變形研究
6.1.1壓剪應力狀態下節理麵變形特點與錨杆應力分析
6.1.2拉剪應力狀態下節理麵變形特點與錨杆應力分析
6.2加錨裂隙岩體本構關係
6.2.1壓剪應力狀態下的本構關係
6.2.2拉剪應力狀態下的本構關係
6.3損傷與彈塑性耦閤有限元實現
6.3.1損傷演化方程
6.3.2損傷與彈塑性耦閤實現的基本方法
6.3.3材料非綫性問題增量解法一般原理
6.3.4增量變塑性剛度法的基本思想
6.3.5迭代方法
6.3.6程序功能
6.4加錨裂隙岩體損傷模型在地下洞室群工程中的應用
6.4.1工程算例一
6.4.2工程算例二
6.5結論
6.5.1大崗山數值計算結論
6.5.2琅琊山數值計算結論
6.5.3綜閤結語
6.6本章小結
參考文獻
第7章滲透壓力作用下加錨裂隙岩體損傷模型研究
7.1滲透壓力作用下裂隙麵上有效應力計算
7.2滲透壓力作用下加錨裂隙岩體損傷模型
7.2.1壓剪應力狀態下本構關係
7.2.2拉剪應力狀態下本構關係
7.3工程應用研究
7.3.1工程概況
7.3.2計算模型
7.3.3計算參數
7.3.4計算結果
7.3.5結論
7.4本章小結
參考文獻

精彩書摘

第1章引言
曆史上的地質構造運動和風化卸荷作用,使得岩體結構中含有大量不同方嚮?規模?産狀的非連續性結構麵(節理?斷層?裂隙),從而導緻岩體在工程結構和力學性能上不同於其他工程材料,呈現非均質?非綫性?非連續的各嚮異性;同時又成為岩體工程地下水流的主要通道,使得岩體滲透特性亦不同於一般孔隙介質,呈非均勻性和各嚮異性,形成節理岩體?節理岩體中的空隙有以下三類?
(1) 孔隙(pores)?若岩石中的空隙在各方嚮的尺寸屬於同一量級,則稱為孔隙?岩石中的孔隙分為水力連通孔隙和水力不連通孔隙兩類?水力連通孔隙和土壤中的孔隙相類似,是完整岩石中的滲水通道?
(2) 裂隙(fractures)?若岩石中的空隙在某一方嚮的尺寸遠小於其他兩個方嚮的尺寸(達米級以上),則稱為裂隙(岩石力學中稱為結構麵);若某一方嚮延伸很長,其他兩個方嚮均相對較小,則稱為溶洞(karst cave)或孔洞?若岩石中無裂隙存在,則稱為完整岩石(intact rock);若岩石中有裂隙發育,則稱為裂隙岩石(fractured rock)?從滲水性上可視完整岩石為微孔隙介質(porous media)?
這些空隙的存在增加瞭岩體物理力學性能的復雜性,另一方麵也為地下水提供瞭儲存和運移的場所,對其進行重點研究的必要性體現在許多應用學科進一步發展的需求和一些重大的急需解決的實際工程問題中,如水利水電工程?岩土工程?石油工程以及近年來在國際上成為研究熱點的高放射性核廢料地下儲存等?
(3) 微裂隙(microfissures)?若岩石中的空隙在一個方嚮的尺寸遠大於其他兩個方嚮的尺寸,且最長的尺寸也是微小的,則稱為微裂隙?多數岩石為脆性材料,在其形成過程中受到多種環境影響而齣現微裂紋,被視為材料的缺陷?微裂紋分布既有完全隨機的,也有大體定嚮的?微裂紋尖端産生的應力集中現象,對岩石的強度有重大影響?應力環境對微裂紋的寬度有影響,因而其滲透性和應力環境有明顯的相關性?
1.1研 究 背 景
隨著二氧化碳地下封存?高放射性核廢料地下處置?垃圾填埋等特殊工程的興建,圍岩裂隙體穩定性問題?裂隙介質中地下水流動問題以及汙染物隨著水流的運移問題近幾年越來越受到人們的關注?地下工程的開挖建設對周圍裂隙岩體産生較大的擾動,改變其應力和位移場的分布情況,圍岩裂隙中的滲流和溶質運移特徵也會因此發生改變,而這對汙染物的地下封存與隔離效果有著至關重要的影響?岩體中存在的孔隙和裂隙等缺陷不但大大改變瞭岩體的力學性質(變形模量和強度參數降低?岩體呈各嚮異性),而且嚴重影響著岩體的滲透特性?裂隙岩體的滲流場受應力環境的影響,而滲流場的變化反過來又對應力場産生影響,這種相互影響稱為應力滲流耦閤?滲流場與應力場相互耦閤是岩體力學中的一個重要特性?岩體滲流研究在各種地質工程應用中占有重要的地位,如采礦和石油工程?核廢料儲存工程?在當前日益增長的環境控製條件下,流入開挖區域水量的估計和汙染礦水的排泄程序都是地下工程的發展和運營時期的重要影響因素;在核廢料儲存工程中,地下水的輻射汙染也需要特彆注意和預防?要發展一種適閤裂隙岩體應力滲流耦閤分析模型,充分理解岩石裂隙內水的流動機製是非常關鍵的?
岩體中節理裂隙的存在嚴重削弱瞭岩體強度,降低瞭岩體的彈性模量,而且,岩體中存在的結構麵在外部荷載作用下往往更容易發生錯動和離層等變形?為限製裂隙和岩石變形?提高岩體強度和工程結構穩定性,岩體工程需要采取適當的加固措施?作為岩體支護的主要手段之一,錨杆已廣泛應用於隧道工程?地下工程?采礦工程?堤壩工程和水利水電等各種工程中?研究發現:在節理岩體中,節理麵和錨杆相互作用,節理麵對錨杆産生剪切作用,錨杆同時限製瞭節理麵變形,緻使錨杆在節理麵附近發生明顯彎摺和變位,錨杆的變形往往遠大於岩體的變形,但目前錨杆計算模型尚不能有效反映這一特性?本書對錨杆在節理麵附近的局部變形和受力狀態?節理�裁�杆加固係統模型進行深入的分析和研究,並將研究成果應用於地下洞室群的穩定性分析中,取得瞭較好的效果?
1.2節理裂隙應力滲流耦閤機理研究綜述
在水利水電?石油開采和核廢料儲存等工程中都存在許多岩石節理滲流問題?在岩體介質中,空隙的尺寸和連通程度一般都遠小於岩體中節理裂隙,而且裂隙的水力傳導係數遠遠大於完整岩石中孔隙的滲透係數,因此裂隙網絡是岩體中水運動的主要通道?單裂隙麵是構成岩體裂隙網絡的基本元素,岩體的滲透性能和滲透方嚮不僅與裂隙網絡的發育?切割特徵有關,還與單個裂隙的幾何特徵(如裂隙的寬度?方嚮?粗糙性和充填性等)密切相關?因此,要研究岩石水力學和閤理地預測工程岩體中復雜的滲流狀態,必須從單裂隙麵的滲流特性這一基礎性課題入手,首先對單一裂隙的水力特性進行研究?
岩石裂隙水力耦閤作用主導著裂隙中水流和溶質運移行為?人們很早就開始對裂隙的剪切滲流耦閤機理以及介質中地下水溶質運移進行瞭探索研究,並且在試驗研究?理論分析和計算方法等方麵取得瞭一定成果?然而,由於岩體裂隙係統本身錯綜復雜,在各種作用力的影響下,其空間幾何因素的復雜性?滲透係數的各嚮異性和彌散係數不確定性加大,使得該研究變得非常睏難?Wels和Smith[1]指齣裂隙網絡中的溶質運移機理取決於單裂隙中溶質運移特點,因此研究擾動作用下裂隙網絡中水流和溶質運移特性,應以研究單裂隙在剪切過程中地下水流動狀態和溶質運移機理為基礎,探索裂隙介質中滲透性?對流?彌散?吸附等特徵?地下水流動和溶質運移特徵受很多因素影響,如水的黏度?流速?裂隙的連通性?隙寬?裂隙麵的粗糙度及一些參數的尺寸效應等[2,3],而剪切作用使這些因素變得更加復雜?早期關於單裂隙介質中水流與溶質運移成果多數是基於光滑平行闆裂隙的理想簡化模型,而自然界中裂隙錶麵一般是粗糙不平的,此外Isakov等[4]也認為裂隙水流與溶質運移研究進展緩慢的原因不僅是影響因素繁多,還有裂隙麵的幾何特徵的描述比較睏難?因此閤理描述裂隙錶麵粗糙特徵,開展剪切過程中單個粗糙裂隙中水流與溶質運移機理研究具有重要意義?粗糙裂隙在剪切作用下的滲流與溶質運移研究主要針對剪切作用影響下裂隙中水流與溶質運移規律以及模擬方法,研究內容可以歸納為以下幾個方麵:①剪切作用影響;②粗糙裂隙介質;③流體滲流;④溶質運移;⑤水流與溶質運移之間的相互關係?研究粗糙裂隙中溶質運移首先要以研究裂隙中水的滲透特性為基礎,水的滲透性又直接受到裂隙錶麵的粗糙形貌影響,而剪切作用則直接改變節理裂隙的形貌特徵?
1.2.1岩石裂隙錶麵形貌描述方法研究
自然中大多數裂隙麵都是凹凸不平的,裂隙錶麵形態特徵對節理麵的剪切作用?流體流動的麯摺性和溶質運移的彌散特性等都有重要的影響?定量地描述裂隙錶麵形態進而確定閤理的錶麵形態參數對研究裂隙中流動特性以及建立形態特徵參數與流動特性之間的定量關係具有重要的意義?描述裂隙錶麵形態特性方法因測量方式和實際應用而異?總的來說,人們對裂隙錶麵形態研究方法大緻可以分為幾何形狀假設方法?統計學方法和分形幾何方法三大類?
1. 幾何形狀假設方法
幾何形狀假設方法一般把裂隙錶麵形貌假設為由一係列不同幾何形狀的微小凸起組成,基於每個凸起之間的作用機理得到整個節理麵的力學反應?常見的形貌假設主要有平行闆假設?鋸齒形錶麵凸起假設?球形凸起假設和長方形凸起假設等?
(1) 平行闆假設?早期的研究一般把粗糙裂隙麵簡化為由兩個相互平行的闆麵組成,這是最簡單的假設方法,常用的立方定理就是基於該模型推導得齣的?然而由於自然裂隙麵一般是粗糙不平的,與理想的光滑平行闆錶麵相差較遠,所以該假設會使計算産生較大的偏差?
(2) 鋸齒形錶麵凸起假設?該假設把起伏不平的裂隙錶麵形態簡化為具有相同角度的規則齒形和不同傾角的不規則齒形?Johnston和Lam[5]?Seidel和Haberfield[6]?Yang等[7]?Yang和Chiang[8]都對鋸齒形錶麵進行瞭大量的研究,分析瞭傾角?齒距等參數與裂隙麵力學特性之間的定量關係?鋸齒形錶麵凸起假設是最為常見的形貌假設方法?
(3) 球形凸起假設?1966年Greenwood和Williamson[9]把裂隙錶麵簡化為球形凸起,並推導齣兩個球體之間的接觸作用?Brown和Scholz[10]應用Greenwood和Williamson所得的理論結果,把裂隙上下錶麵均假設為由半徑不同的球體組成,並且推導瞭裂隙麵的閉閤特性?由麯率不同的球形凸起組成的裂隙錶麵與自然裂隙形貌最接近,然而由於球體之間相互作用的理論解難以求齣,導緻該幾何形貌假設下裂隙麵之間相互作用的解析解難以得到?
(4) 長方形凸起假設?該假設一般由一係列尺寸不同的微小長方體概化組成粗糙節理錶麵?Kown等[11]依據該錶麵形狀假設,推導得齣瞭裂隙麵的剪切強度模型?該形貌假設的優點是當長方形尺度選擇閤適時,能夠較好地反映節理麵形貌,並基於此可以推齣節理麵受力反應的最終狀態,但是全麵地考慮到具體作用過程存在一定的難度?
2. 統計學方法
統計學方法一般是通過分析裂隙的二維粗糙綫得到裂隙錶麵形態描述參數?常用的統計學方法有粗糙度係數法?統計學參數法和地質統計參數法等?
1) 粗糙度係數法
粗糙度是衡量節理裂隙麵相對於平麵的波動起伏程度的指標,對裂隙中流體流動的麯摺性有重要的意義?Barton[12]從工程角度齣發,研究具有不同錶麵形態的節理麵力學行為,並在此基礎上提齣瞭節理粗糙度綜閤描述參數,其中節理麵粗糙度係數JRC得到普遍的認可,至今該係數仍被廣泛應用於各種工程實際中?1976年Barton和Choubey[13]通過對136條節理麵形貌進行統計分析,按其粗糙程度大小,將節理粗糙度係數劃分為10級,相應的JRC取值為0~20?在進行實際的粗糙度評價時,可將相同尺寸的被觀測節理麵錶麵形狀與10條標準剖麵綫比較,並選取最接近的JRC作為其取值大小?然而,Kulatilake等[14]認為JRC僅可以用來錶徵平穩粗糙度,不能用來反映非平穩粗糙度;Maerz等[15]認為JRC並不具有嚴格的幾何意義,它的確定方法包含主觀因素,因而失去瞭科學上的唯一性和嚴謹性,可能引起預測的節理裂隙力學行為齣現嚴重偏差?
2) 統計學參數法
自然岩石裂隙錶麵一般是粗糙不平的不規則幾何麵,因此可以采用統計學參數或者函數來描述?常見的統計學參數通常包括節理凸颱高度?傾角?形狀和分布等[15,16],可以把它們大緻分為三類[17]?
(1) 振幅參數?主要是用來反映粗糙錶麵凸颱高度變化情況的參數,如中綫均值C?凸颱高度的均方值M?均方根R和絕對粗糙度k?
(2) 斜率參數?主要是反映裂隙麵凸颱形狀的參數,如凸颱高度的一階導數即斜率Z2?二階導數即麯率Z3?平均微角i和粗糙度指數Rp等?
(3) 混閤參數?即同時涉及振幅變化和凸颱斜率變化的參數,如自相關函數AC?結構函數S和譜密度函數等?
統計學描述參數多達十幾個,如此多的參數似乎足以用來描述粗糙裂隙的錶麵形態,然而實際情況卻遠非如此?Bahat[18]引入14個不同參數來描述裂隙錶麵形態,這些參數涉及錶麵幾何形貌的各個方麵,但仍沒有得到普遍的公認?由此可見,描述裂隙錶麵幾何特徵的參數並不是越多越好?當這些描述指標體係中的參數多到一定程度時,整體的描述精度反而會由於體係復雜性的增加而下降?
3) 地質統計參數法
在岩石裂隙錶麵形貌定量描述的進展中,另一值得注意的方法為地質統計學方法?該方法的基本函數一般為經驗方差函數和半經驗方差函數,定義為振幅變化的均方值[17]?研究錶明,地質統計學的相關參數,如基颱值?變程等,可以用來描述裂隙錶麵形態?Ferrero和Giani[19]認為方差函數和JRC之間存在某種關係,Roko等把方位角等參數引入方差函數中,得到瞭用極坐標來描述粗糙節理麵各嚮異性的方法[17]?
3. 分形幾何方法
法國數學傢Mandelbrot在1973年首次提齣瞭分維的設想,並創造瞭“分形(fractal)”這個新術語?後來Mandelbrot[20]又提齣瞭分形幾何,用來描述自然界不規則以及雜亂無章的現象和行為?與歐氏幾何有著本質不同的是,分形

前言/序言

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