岩体水力劈裂研究与应用虽从20世纪50年代就开始,但其机理并没有得到很好地解决,仍存在许多值得研究的课题,而且这些研究绝大数还是针对石油、天然气行业的人工致裂问题,对于水利水电、矿业等行业的自然营造力作用下产生的水力劈裂机理,尤其是单裂纹的水力劈裂机理研究却较少。 本研究首先根据目前水力劈裂机理研究的尺度,将岩体水力劈裂机理研究划分为两个层次,第一个层次是基于岩体在宏观、综合、统计意义上的水力劈裂,第二个层次是微观尺度的单裂纹水力劈裂;第二,分析总结了水利水电等行业自然营造力作用下水力劈裂与人工致裂的不同点;第三,针对自然营造力水力劈裂特点、不同研究尺度,从理论和数值分析两个方面对岩体水力劈裂机理问题进行研究;最后,通过具体工程地下高压隧洞的水力劈裂数值分析详细研究,揭示水力劈裂对地下洞室围岩稳定的影响规律。本文主要开展了以下工作: (1) 从宏观、综合、统计意义研究深埋圆形隧洞在渗流场作用下弹性和弹塑性问题。提出了考虑渗流场作用下圆形隧洞的弹塑性解;并对不同内外水头比值时洞周应力场分布规律及塑性半径进行研究。研究表明,随内外水头差的增大其影响将显著增大,尤其是对环向应力的影响程度要比径向应力大,且径向应力和环向应力不再符合无渗流时的分布规律,出现大小值交换。同时,随着内水头的增大,洞周压应力和塑性半径逐渐减小,直到出现无塑性区,随内水压力的进一步不断增大,又会出现新的塑性区,此时,第一主应力已变为环向应力;另外,考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。 (2) 应用工程近似裂纹复合失稳准则,分别推导出隧洞周围岩体内深埋裂纹两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。分析结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当λ-tanφ>0时,规律性与拉剪复合断裂模式基本一致,但λ-tanφ<0时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。 (3) 假定岩体混凝土水力劈裂过程裂缝形态为椭圆形,根据自然营造力作用下产生水力劈裂的边界条件,从流体质量守恒和动量守恒定律出发,采用控制体积法推导出裂纹流体运动质量守恒定律的具体形式、缝内水压分布微分方程,并得到在裂纹扩展稳定状态某时刻缝内压力理论计算式。从定性和定量两个方面与已有实验的结果比较说明,提出的理论计算公式反映的规律性是正确的,在裂纹快速开裂前提下计算结果与实验吻合较好。得到的计算式对研究地震荷载作用下混