基于岩体地下流固耦合理论的研究.pdf

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1、DOI：10．3969／j．issn．1672-4011．2013．03．046基于岩体地下流固耦合理论张坤(西华大学，四川成都610039)摘要：本文通过对渗流场、应力场与温度场三场耦舍的研究得出三场耦合作用的“完全耦合”模式；通过对孔隙介质流固耦合研究得出在此种情况下应力与应变的关系；通过对裂隙岩体流固耦舍研究得出了单一裂隙渗流与应力的关系；分析了裂隙岩体渗流与应力耦合的不同数学模型，得出各种数学模型的优缺点以及适用范围。关键词：裂隙岩体；三场耦合；流固耦合；数学模型中圈分类号-TUl39．11文献标志码：B文章编号：1672—40

2、11(2013)03—0103—020前言对裂隙岩体而言，其工程特性决定于裂隙岩体所处的地质环境，即裂隙岩体存在的地下水渗流场、应力场和温度场环境等等，这些环境因素相互作用和影响，使得裂隙岩体时时处于这些因素构成的动态平衡体系中。因而研究裂隙岩体的工程特性，是一个涉及到诸如岩体力学、土力学、工程地质学、地下水力学、工程热力学等多学科的问题。与此同时，一方面，随着科学技术的发展及人类认识和利用自然能力的提高，上述各学科自身都在不同程度地丰富和发展；另一方面，针对岩土工程的实际需要，上述各学科之间的相互交叉和渗透又日益突出。基于这一情况，开

3、展裂隙岩体地下水渗流场、应力场与温度场三场之间耦合体系作用机理的研究，在促使地下水力学、岩体力学、工程热力学及工程地质学等各学科之间相互交叉和渗透方面，具有重要的理论意义；从工程实践的角度出发，大型土建工程的修筑，使工程设计和建设者都面临许多新问题，同时土建工程体自身会产生诸多不良反应(包括自身稳定性、持久性和对环境产生的不良影响等)，这时用传统的单个学科来解决以上新问题已显得无能为力，即使勉为其难，效果往往也不十分理想。这就需要相关多个学科的相互结合、补充和渗透，以对问题的解决起到事半功倍的效果。进行裂隙岩体地下水渗流场、应力场与温度

4、场三场耦合作用的研究，是试图建立一种基于多学科综合应用基础上的广义理论体系，并应用于工程体修筑中不良地质灾害(包括涌水、岩爆和岩体失稳等)的防治研究，因而这项研究又具有重要的工程实际价值。1三场耦合作用研究的模式裂隙岩体地下水渗流场、应力场与温度场耦合作用是—个相对复杂的研究问题，主要表现在裂隙岩体所处地质环境的各个组成部分，即地下水渗流场、应力场与温度场自身都随时间、空间发生变化。与此同时，以上各个组成部分之间的耦合作用处于一种复杂动态变化过程之中。为了研究的可行性，笔者从简化场耦合作用具体过程的角度出发，基于裂隙岩体对应场性能等效的

5、原则，通过裂隙岩体结构特征的量化研究，对由裂隙结构面网络离散化所引作者简介：张坤(1981一)，男，山东潍坊人，主要从事桥梁与隧道工程方面研究。的研究起裂隙岩体的渗透性能、力学性能及热物理性能的非连续性特点，分别进行了等效连续化处理。在此基础上，结合研究工作的目的，本文提出了基于深层地下水资源量评价预测目的基础上的裂隙岩体地下水渗流、应力、温度三场之间“非完全”耦合作用研究模式，如图1所示。同时，针对大型地下工程中所涉及地质灾害的成灾预测预报及防治需要，给出了裂隙岩体地下水渗流场、应力场与温度场“完全”耦合作用研究模式见图1。动力黏滞系

6、数变化地下水流动边界及渗透介质改变渗流场(地下水在岩体介质和裂隙内的流动)温度场(由气候、地热变化或特殊材料引起的热对流、热传导)材料伸缩引起的热应力能量之间的转换边界及介质传导特性孔骧静水压力和动水压力孔隙率及裂晾开度的变化圈1三场完全耦舍关系示意图2孔隙介质流固耦合应力场(岩体介质和岩体结构面的变形与破坏)在连续介质力学框架内建立了Euler型多相流体运移和变形孔隙介质耦合的理论模型。在这些研究中，孔隙介质都被当作具有同一渗透率单一类型孔隙连续分布的介质，即具有单孔隙度／单渗透率的介质。考虑有效应力影响及孔隙压力的一般应力应变关系可

7、表示为：8。=宁仃一盖心。一铲Otij。8日2—i1仃一盲叮h6Ⅱ一iir6≈式中，a为压力比系数，可取a=K／H，K为固体介质的有效体积模量，H为比奥常数，不计体力和惯性力时的方程为：％．j=0应变一位移关系为：1，、8日=—丁LUl．；+uj．iJ可得固体变心控制方程为：Gui．血+(入+Guk．ki)+廿．i=0式中，G是剪切模量；入是拉梅常数。对于流体相，达西速度为：q=扛P式中，k是渗透率，斗是流动粘度。3裂隙岩体流固耦合研究自从1954年12月法国的Malpa目et拱坝失事以后，裂隙岩体渗流问题日益受到人们的重视，许多人通过

8、试验及理论分析研究了单一裂隙渗流与应力的关系。如工舢is根据一些钻孔压力试验结果给出以下经验公式有：lcf=koe一”式中，k为初始渗透系数；叮为法向应力；Ct为参数。Jones提出碳酸盐类岩石裂隙渗透系数