水力耦合作用下非贯通裂隙扩展机制及流形元模拟

This project intends to study the evolution mechanism and numerical manifold simulation of fracture network under the effect of hydro-mechanical coupling by the method of combing laboratory test, theoretical derivation and numerical analysis. By seepage testing for fracture specimens with non-persistent fracture under complex stress conditions, the study will reveal the evolution law of permeability and crack propagation mechanism of fracture specimens under the effect of hydro-mechanical coupling. Based on the laboratory test data, the mathematical model of fracture network evolution under hydro-mechanical coupling including stress field, fracture seepage field and propagation of cracks is built up. Based on the numerical manifold method, this project will build a model with the hydro-mechanical coupling of jointed rock and the dynamic evolution of fracture network into consideration for further researched and developed of efficient and reliable calculation software. Finally, Based on practical engineering, the research will be carried out in order to provide theoretical support for seepage control and optimization design and stability analysis of rock in hydropower, traffic, energy development, geological disposal of nuclear waste and other project in our country.

本项目拟采用室内试验、理论推导以及数值分析相结合的方法，研究裂隙网络在水-力耦合作用下的演化机理及其数值流形方法的模拟。通过对含非贯通裂隙试件进行复杂应力条件下的渗流试验，研究水-力耦合作用下裂隙试件的渗透特性演化规律及裂纹扩展机制，建立包括应力场、裂隙渗流场、裂隙扩展等因素在内的裂隙网络水-力耦合演化的数学模型。结合数值流形方法，建立考虑节理岩体水-力耦合的、裂隙网络动态演化的数值分析模型，并研发高效可靠的计算软件。最后，结合实际工程开展应用研究，为我国水电、交通、能源开发、核废料地质处置等工程岩体的渗控优化设计和稳定性分析提供理论支持。

在我国水电、交通、能源等基础设施建设以及矿山开采中，普遍涉及到复杂地质环境下岩体的开挖与加固、渗流与控制、变形与稳定等问题。为了探寻工程岩体在这些外荷载作用下的渗透、力学特性的变化规律，本项目采用了室内试验、理论推导以及数值分析相结合的方法，在以下几个方面开展研究：.① 开展了含单组非贯通裂隙岩石在单轴压缩荷载试验，并通过接收和分析试验过程中声发射数来研究含非贯通裂隙试件声发射特性和破坏模式。试验结果分析表明，裂隙倾角不仅使得材料的抗压强度呈现出明显的各向异性特征，而且在破裂过程中对应的AE参数，如事件数、累积事件数等也表现出不同的变化规律。.② 针对岩体在裂纹扩展时在裂纹尖端存在着带状微裂纹区这一特征，引入了粘结裂纹模型模拟这一区域，基于数值流形方法发展了模拟裂隙岩体裂纹扩展的数值计算方法，通过对三点简支梁、L型平板的开裂过程进行数值模拟验证了本文所提算法的正确性及有效性。.③ 针对岩体非连续变形特性，建立了基于连续梁模型的岩石锚杆模型，在岩块内部采用常规梁单元，在节理面附近，针对该区域的锚杆变形特征，采用考虑剪切变形的梁单元，基于数值流形方法的基本原理，发展了锚固岩体的数值流形模拟方法。通过与物理实验结果对比，验证了该模型在计算加锚岩体变形时的有效性，并将其应用到某地下厂房围岩稳定及加固支护措施效果分析中，为类似岩体支护工程的设计和计算提供参考。.④ 针对原有数值流形方法在计算发生大变形、大转动时出现较大的误差这一问题，本项目从当前构形的动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发，通过引入流形方法的插值函数，建立了基于有限变形理论的数值流形方法并通过两个典型的算例验证了基于有限变形数值流形方法的有效性。.⑤ 为了正确计算岩体发生大变形时块体之间的接触力，本项目从接触问题的基本方程（Kuhn-Tucher条件）出发，在基于有限变形理论的数值流形方法框架下，采用基于粘结方法（Mortar method）的边-边接触方式处理接触面的离散，通过引入Lagrange 乘子建立接触约束，推导了新的接触方程。并通过两个典型的算例验证了所提方法的有效性。这些算法方面的改进为后续实现滑坡动力学全过程模拟提供了理论基础。.总的来说，以上研究成果为我国矿山开采、交通建设、水电能源开发等工程岩体的稳定性分析及渗控优化设计提供理论支持。