裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

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1、第23卷第9期岩石力学与工程学报23(9)：1413～14182004年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2004裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析11，21，2郑少河姚海林葛修润12(上海交通大学岩土工程研究所200030上海)(中国科学院武汉岩土力学研究所430071武汉)摘要通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例

2、结果表明，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。关键词岩石力学，裂隙岩体，渗流，损伤，耦合分析分类号TV223.4，O346.5，O357.3文献标识码A文章编号1000-6915(2004)09-1413-06COUPLINGANALYSISONSEEPAGEANDDAMAGEINFRACTUREDROCKMASS11，21，2ZhengShaohe，YaoHailin，GeXiurun1(InstituteofGeotechnicalEngineering，S

3、hanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030China)2(InstituteofRockandSoilMechanics，TheChineseAcademyofSciences，Wuhan430071China)AbstractByintroducingaconceptofadditionalhydraulicpressure-inducedflexibilitytensorandconsideringeffectsofdamagebehavioronpermeabili

4、tytensoroffracturedrockmass，thecoupledbehaviorofstressandseepageisanalyzed.Basedonaboveanalysis，amodelforcouplinganalysisonfluidflowanddamageisdeveloped.Theresultsobtainedfromtheoreticalandpracticalanalysisshowthattheinfluenceofhydraulicpressureondamagebeha

5、viorandeffectsofdamageondistributionofhydraulicpressurecannotbeignoredwhenthereisfluidflowinfracturedrockmass.Keywordsrockmechanics，fracturedrockmass，seepage，damage，couplinganalysis的刚度，所以在数值计算中，渗流场对岩体变形的1引言[4]力学效应应该包括以下2部分：(1)耦合计算中的等效节点力；固体与流体的耦合分析已经广泛应用于水利

6、水(2)数值计算中刚度矩阵的削弱。电、核废料处理以及石油开采等领域。二者的耦合损伤力学通过定量化分析岩体中的裂隙，并基效应包括：由于渗透压力而引起的岩体变形以及由于柔度张量的概念来研究裂隙岩体的力学特性的改于应力场重分布而引起的岩体渗透特性的改变。在变。因此，采用损伤力学模型描述固流耦合分析中以往的研究中，一般把渗流场对岩体变形的影响迭的岩体变形，可能比一般的弹塑性模型更适合考虑加到有限元计算中的荷载矢量中，作为等效节点力流体的双重力学效应。但原有的损伤力学研究针对[1，2]来处理。但赋存于岩体裂隙中的流体会

7、产生另的是非含水裂隙岩体，即没有考虑渗透压力对岩体[5，6]外一种力学效应，即增大裂隙的应力强度因子而使损伤特性的影响；而渗流场在许多工程中是客[3]其更易于开裂。裂隙的开裂扩展势必会削弱岩体观存在的，因此，研究考虑渗透压力的裂隙岩体损2002年6月10收到初稿，2002年9月14日收到修改稿。作者郑少河简介：男，30岁，博士，1994年毕业于山西矿业学院矿井建设专业，主要从事裂隙岩体固流耦合及特殊土方面的研究工作。•1414•岩石力学与工程学报2004年0伤特性将是十分必要的。而产生的附加应变能；σij为应

8、力张量(MPa)；Cijkl为－1d裂隙岩体的渗透特性是渗流分析中的重要因素无损岩体的弹性柔度张量(MPa)；Cijkl为由于裂隙－1w之一。众多学者通过各种方法研究了应力、开度与存在而产生的附加柔度张量(MPa)；Cijkl为渗透压[7，8]裂隙渗透特性的关系。需要指出的是：这些研力p对柔度张量的贡献，称为渗透压力附加柔度张－1究主要是针对应力变化时引起的裂隙开度变化，并量(MPa)。没有考虑由于