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水力劈裂在工程应用中呈现利弊两个方面的影响,一方面在岩土工程、环境工程和石油工程中已得到很好地应用;但另一方面又会造成大坝渗漏破坏等严重后果。现阶段,对于黏性土的水力劈裂研究主要集中于试验研究,在数值模拟方面也有了一定的进展,但数值模拟研究主要是采用有限元等连续介质分析方法,对于细观上的研究尚处于起步阶段。
本文采用基于细观理论的颗粒流程序对黏性土的水力劈裂进行了相关的研究,从细观角度来研究水力劈裂过程中颗粒的运动及裂隙产生的物理机理。研究成果对于优化土石坝心墙设计,促进核废物地质处置库建设、石油天然气开采、地热资源开发和岩体地应力测试等方面都有重要意义。
本文对所选取的试样进行双轴试验数值模拟研究,将模拟所得的应力—应变曲线与三轴试验实测曲线进行对比验证,得出符合实测应力.应变关系的模型细观参数。通过大量的数值双轴试验,对黏性土宏观剪切强度指标c、ψ值与其对应的细观参数ci、ψi进行了定量分析,得到了黏性土宏—细观强度参数的相关关系,其对黏性土细观数值参数的选取有重要意义。
采用双轴试验得到的参数进行试样中心注浆的颗粒流数值模拟。进行了不同围压条件下注浆模拟,得出了围压对结果的影响;分析了试样内部应力变化过程,据此将水力劈裂过程分为三个阶段:应力上升阶段、应力调整阶段和应力稳定阶段;得出了在注浆过程中土体的正应力大于剪应力,并验证了在劈裂过程中土体颗粒的变形以压缩变形为主的结论;归纳了注浆压力值、裂隙长度和裂隙发展方向受土性的影响。
本文也研究了粒径、级配、刚度、摩擦系数等因素对黏性土水力劈裂的影响。研究结果表明:裂隙的长度和内部粘结破坏个数均随粒径的减小而减小,当粒径从0.15cm减小至0.10cm,裂隙的长度减小50%左右,粘结破坏个数减小63.6%;级配好的试样比等粒径试样容易劈裂,当粒径比从2:1变化至1:1时,裂隙的长度减小60%左右,粘结破坏个数减小64%;刚度从1×104kN/m增至3x104kN/m,裂隙的长度减小60%左右,粘结破坏个数减小57%;裂隙长度和试样内粘结破坏个数,在摩擦系数从0.1增至0.3时,裂隙长度减小60%左右,粘接破坏个数减小50%,而在摩擦系数从0.3增至0.7时,则变化不明显。