裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础，把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面，对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究，具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发，定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性，为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理，系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制，建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子，增加岩体的柔度，降低岩体强度，对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发，建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程，从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形，提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础，根据裂隙发育规模与工程尺度的关系，建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比，克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点，建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型，并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中，计算结果表明，该模型具有较好的实用性与可靠性。

RESEARCH ON COUPLING THEORY BETWEEN SEEPAGE AND DAMAGE OF FRACTURED ROCK MASS AND ITS APPLICATION TO ENGINEERING