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原文传递渗流场-损伤场耦合作用下隧道涌水量预测研究

论文题名：	渗流场-损伤场耦合作用下隧道涌水量预测研究
关键词：	裂隙岩体;涌水量预测;隧道围岩;渗流场-损伤场;耦合作用;数学模型
摘要：	在高压、富水地段隧道施工的过程中，涌水事故是常见的工程灾害之一。为了研究隧道涌水事故发生的机理，并进一步对隧道涌水量做出预测，有必要从渗流、应力、损伤耦合的角度来研究隧道围岩的渗透机理，从而提高对涌水灾害的预测预报和防灾减灾能力。因此，将隧道裂隙围岩等效为连续介质，通过分析水压力作用下裂隙岩体的损伤演化情况以及由于损伤所导致的围岩渗透张量的变化情况，对隧道围岩附近地下水渗流场与围岩损伤场之间相互作用的机理进行了深入系统的研究，并运用研究成果对隧道涌水量进行了预测。本文的主要研究内容如下：　　 1、通过对试验资料的分析，探讨了裂隙水压力作用对裂纹扩展方式和扩展路径的影响，研究和分析了裂纹间相互贯通的机理。由分析可知：当岩体中的裂隙水压力与原场应力相比不太大时，渗流作用并不改变分支裂纹产生的方向，但会使得分支裂纹的萌生更加容易。压剪裂纹尖端翼裂纹与原裂纹面成70°左右夹角；次生裂纹与原裂纹面间夹角随岩石内摩擦角的增大而增大；拉剪裂纹尖端分支裂纹方向与裂纹面应力状态有关。当裂隙中存在高水压力作用时，宏观裂纹大致沿原裂纹面方向扩展。另外，试验研究还表明，平行裂隙组裂纹间的贯通是沿着裂纹平面方向发生的。　　 2、在认为裂隙沿自身平面方向扩展的前提下，利用系统能量平衡的准则，分别推导了线弹性以及考虑裂纹尖端局部塑性条件下，渗流-应力作用导致裂纹发生稳定扩展后裂纹长度的表达式，为裂隙岩体渗流-应力耦合作用下的损伤演化分析提供了依据。　　 3、通过体积平均的方法将不连续介质问题转化为等效连续介质的问题进行求解。分析了面积损伤对岩石内有效应力的影响。研究了裂隙岩体在渗流-损伤作用下的损伤演化情况，在此基础上分析了渗流-损伤耦合作用下损伤张量及有效应力的演化情况，并通过岩石的弹塑性应变及裂隙的损伤应变建立了含水裂隙岩体的弹塑性损伤本构关系。　　 4、讨论了裂隙岩体渗透张量与裂隙几何参数之间的定量关系，用流量等效的方法将裂隙岩体的渗流问题等效为连续介质渗流问题。以裂隙的几何参数如开度、迹长为桥梁，研究了渗流-应力-损伤耦合条件下裂隙岩体等效渗透张量随应力、损伤的演化情况，并建立了渗流-损伤耦合条件下裂隙岩体等效渗透张量演化的表达式，同时建立了给水度与应力之间的定量关系。　　 5、由非稳态渗流场数学模型、裂隙岩体损伤判据、裂隙岩体的损伤本构关系、初始条件、应力边界条件、位移边界条件以及水力学边界条件建立了渗流-损伤耦合的数学模型，提出了求解含水裂隙岩体渗流-损伤耦合数学模型的迭代计算方法。根据岩石的柔度矩阵、有效应力转换矩阵、对应于损伤应变的柔度矩阵得到岩体了损伤不发生演化时含水裂隙岩体的损伤柔度矩阵的表达式。当损伤发生演化时，根据相应的损伤判据，利用迭代的方法，用增量形式得到了平均弹性损伤矩阵的表达式，并运用变分原理对渗流场模型进行了求解。　　 6、通过编制相应的有限单元法分析程序，将所建立的渗流-损伤耦合数学模型应用于某公路隧道工程的涌水量预测，并与现场实测涌水量进行了比较，计算结果表明本文所建立的渗流-损伤耦合数学模型具有良好的实用性与合理性。
作者：	代翼飞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李新平
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文