三维裂隙网络水-力耦合演化机制与数值模拟

相对于完整岩石而言，裂隙岩体内部地下水流动主要受裂隙及裂隙形成的空间网络所控制。本项目显式模拟大规模复杂裂隙，通过对Darcy定理进行延拓处理，建立了定义在复杂二维、三维裂隙网络全域上稳定/非稳定渗流问题的偏微分方程（PDE）提法，在数学上严格证明了定义在整个裂隙网络区域上水头势函数的两个基本属性。为了减小试探函数的选取难度和消除溢出点的奇异性，进一步提出了求解有自由面稳定渗流问题的椭圆型变分不等式提法，以及求解非稳定渗流问题的抛物型变分不等式提法，并给出了有限元数值求解格式。通过对含贯通、非贯通裂隙岩样在不同围压、不同渗透压条件下的水力耦合试验研究表明：随着围压的增大，应力应变曲线表现出了明显的由脆性破坏向延性破坏的转变；含裂隙岩石的渗透系数与围压密切相关，在不同围压条件下，渗透性在应力峰值后都发生了明显的突变，且随着应变的增大，渗透性逐渐升高，变化速率由快变缓，最后趋于稳定。根据试验成果和理论推导，发展了非贯通裂隙破坏的强度模型和细观破坏模拟的数值计算方法。 在上述研究基础上，采用改进刚块弹簧元法和离散裂隙网络模型（DFN），引入模拟裂隙萌生、扩展的破坏准则，建立了包括应力-应变、水体流动、裂隙萌生扩展等过程在内的复杂裂隙网络水-力耦合演化的数学模型，并研发了高效可靠的裂隙网络渗流-变形的数值求解算法及计算程序，研究成果可为我国水电工程、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。 2100433B

本项目采用现场地质调查、室内试验、理论建模和数值分析相结合的方法，研究三维裂隙网络在水-力耦合作用下的演化过程与数值模拟方法。采用含贯通裂隙的岩柱试样进行结构面在不同荷载条件下的全应力应变水力耦合试验，揭示单条贯通裂隙复杂应力条件下变形与渗流的耦合机理；采用含非贯通裂隙的岩柱试样进行不同荷载、渗透压条件下的破坏试验，揭示水-力耦合作用下裂纹扩展演化机理以及裂纹扩展过程中渗透特性的演化规律；同时开展现场地质研究，发展和完善裂隙岩体三维地质结构面网络以及渗透网络的模拟方法；建立包括应力-应变、水体流动、非贯通裂隙扩展等过程在内的三维裂隙网络水-力耦合演化的数学模型，研发高效可靠的裂隙网络渗流-变形的数值求解算法及计算软件，并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。

本书以非饱和土为主要研究对象，开展了非饱和土水-力全耦合本构模型、数值模拟与应用方面的研究，主要创新点如下：(1) 从土体细观结构及其演化特征出发，在热力学框架下建立了非饱和土水力全耦合模型，揭示了土体湿陷/膨胀等变形与非饱和渗流的耦合机制；(2) 发展了非饱和土弹塑性本构积分的隐式-折返算法，研发了水/气渗流-弹塑性变形全耦合分析软件(F2Mus3D)并进行了算例验证；(3) 基于F2Mus3D研究了土质边坡在降雨入渗过程中剪切带萌生、形成、发展直至贯通的全过程，揭示了暴雨诱发滑坡的渐进破坏机制。 2100433B

在系列混凝土动力本构关系实验研究的基础上，结合混凝土细观数值模拟技术，深入研究地震、强风等动力荷载作用下混凝土损伤的细观机理及其演化机制；基于多尺度方法体系，合理描述微观裂缝演化对宏观损伤演化的影响，探索混凝土动力损伤扩散的物理机制与多尺度随机涨落特征；发展可以科学反映混凝土结构随机动力非线性行为的建模理论与数值模拟方法，为正确反映重大工程结构在地震、强风等灾害作用下的性态、进行重大工程结构的精细化分析和控制提供科学基础。 2100433B

原生裂隙水压致裂法地应力测量，充分利用了重张试验确定裂隙法向应力精度高的特点，克服了传统水压致裂法假设多、钻孔横截面最大主应力计算误差大等缺点，并且可进行大尺度的三维地应力测量，但当所测原生裂隙距离大时，应考虑应力梯度。介绍了原生裂隙水压致裂法三维地应力测量的原理和步骤，基于大量的实测地应力分布规律的研究成果，简化出满足一般工程的线性应力梯度形式，并推导了便捷的计算过程。工程应用发现，不考虑应力梯度的原生裂隙水压致裂法三维地应力测量结果与考虑应力梯度测量结果具有一定差别，而后者的测量结果能反映测试范围内的地应力场变化。 2100433B