（地质工程专业论文）黏性土中水力劈裂的颗粒流数值模拟.pdf

摘要 摘要 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 、妒值与其对 应的细观参数c ；、妒，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 1 5 c m 减小至0 1 0 c m ，裂隙的长度减小5 0 左右，粘结破坏个数减小 6 3 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6 0 左右，粘结破坏个数减小6 4 ；刚度从l x l 0 4 k n m 增至 3 x 1 0 a k n m ，裂隙的长度减小6 0 左右，粘结破坏个数减小5 7 ；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6 0 左右， 粘接破坏个数减小5 0 ，而在摩擦系数从o 3 增至0 7 时，则变化不明显。 摘要 关键词：水力劈裂，黏性土，颗粒流，数值模拟，细观理论 a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i cf r a c t u r i n gc a nb ee i t h e rd e t r i m e n t a lo ru s e f u l ，d e p e n d i n go nt h e o c c u r r e n c ei nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s o nt h eo n eh a n d , i tp l a y sa l li m p o r t a n t r o l e si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 、e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yi n p e t r o l e u me n g i n e e r i n g , o nt h eo t h e rh a n d ，w h i c hw i l lc a u s et h ed a ml e a k a g ea n d d a m a g e st o t h ep r o j e c ta n dc a u s es e r i o u sc o n s e q u e n c e s c u r r e n t l y , r e s e a r c ho n h y d r a u l i cf r a c t u r i n go fc l a yf o c u s e so ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h e r ei sa l s os o m e p r o g r e s si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n b u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d ym a i n l yu s et h e m e t h o do fc o n t i n u o u s m e d i a ，s u c h a sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d s ，f o r m i c r o s c o p i cs t u d y i ss t i l li ni t si n f a n c y t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h em i c r o s c o p i ct h e o r yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s - - m a k eu s eo fp a r t i c l ef l o wc o d et os t u d yh y d r a u l i cf r a c t u r i n go ft h ec l a y w es t u d y t h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r o c e s so fp a r t i c l em o v e m e n tf r o mt h el e v e lo fp a r t i c l e m o t i o na n da n a l y z et h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ff r a c t u r e e x p a n s i o nf r o m t h e m i c r o s c o p i c r e s u l t so fr e s e a r c hh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ro p t i m 也i n gt h e d e s i g no fe m b a n k m e n td a m s 、p r o m o t i n gt h eg e o l o g i c a ld i s p o s a lo fn u c l e a rw a s t ei n t h ec o n s t r u c t i o no ft h et r e a s u r y 、e x p l o i t a t i o nf o ro i la n dn a t u r a lg a s 、d e v e l o p m e n to f g e o t h e r m a lr e s o u r c ea n dr o c ks t r e s st e s ta n ds oo n t h i sp a p e rh a san u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb i a x i a lt e s t st ot h es e l e c t e ds a m p l e ， c o m p a r e sa n dv e r i f i e st h es t r e s s s t r a i nc u r v e sa n dm e a s u r e dc u r v e s ，o b t a i nm o d e l m i c r o - p a r a m e t e r sw h i c hc o m ei nl i n ew i t ht h em e a s u r e ds t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p t h r o u g hm a n yn u m e r i c a lb i a x i a lt e s t ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i st h es h e a rs t r e n g t ho fc l a y m a c r o - p a r a m e t e r so ft h ev a l u ec ，伊w i t hi t sc o r r e s p o n d i n gm i c r o - p a r a m e t e r sc i 仍， o b t a i ns t r e n g t hp a r a m e t e r sc o r r e l a t i o no fm a c r o m i c r op a r a m e t e r s ，w h i c hh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os e l e c tm i c r o p a r a m e t e r s t h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r si se s p e c i a l l yi m p o r t a n ti ni t sp r o c e s s ，i no r d e rt o s o l v et h i sd i l e m m a ，t h i sp a p e ra p p l i e so fp a r t i c l eh o wc o d es e l e c t e db i a x i a lt e s t s p e c i m e nf o rr e s e a r c h ，a n dc o m p a r et h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so b t a i n e db ys i m u l a t i o n w i t hl a b o r a t o r yc u r v e st h r o u g hr e p e a t e dt e s tu n t i lt h et w oc u r v e so ft h et e s ti sc l o s e r a b s t r a c t t od a t e t h i ss t u d yd o e sa g o o dj o bo fp r e p a r a t i o nf o r t h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r s f i r s tu s ep a r a m e t e r sd e r i v e df r o mt h eb i a x i a lt e s t t os e tu pt h em o d e l ，t h e n s p e c i m e nt a k e nc e n t e ri n j e c t i o nu n t i lf r a c t u r ef o r m ，w eg e ta ni m p o r t a n tc o n c l u s i o n ： i n i e c t i n gs i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fc o n f i n i n gp r e s s u r ew e ec a r r i e do u t ， t h ei m p a c to fc o n f i n i n gp r e s s u r eo i lt h er e s u l t sh a sb e e no b t a i n e d i n t e r i o rs t r e s st i m e h i s t o r yw a sa n a l y z e d ，a n dt h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r o c e s sw a sd i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s ：t h e r ea r et h ei n c r e a s i n gs t a g eo fs t r e s s 、t h ea d j u s t i n gs t a g eo fs t r e s sa n dt h e s t a b l i n gs t a g eo fs t r e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o r m a ls t r e s si sl a r g e rt h a nt h e s h e a rs t r e s si nt h ei n i e c t i n gp r o c e s s ，w h i c ht e s t i f i e dt h a tc o m p a c t i n gd e f o r m a t i o n t a k e si m p o r t a n tp a r ti ns o i lp a r t i c l ed e f o r m a t i o ni nt h ei n j e c t i n gp r o c e s s i n j e c t i n g p r e s s u r e so fd i f f e r e n tk i n d so fs o i ls a m p l e si nt h ei n i e c t i n gt e s t sw e r ec o n c l u d e d ，a s w e l la sl e n g t ha n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff r a c t u r e s i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dp a r t i c l es i z e ，g r a d a t i o ns t i f f n e s s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， s l u r r yv i s c o s i t ya n do t h e rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gt h r o u g ht h e p a r t i c l ef l o wc o d e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h el e n g t ho fc r a c k sa n dt h en u m b e ro f b o n d i n gd a m a g eb o t hd e c r e a s ew i t hd e c r e a s i n gp a r t i c l es i z e ，w h e nt h ep a r t i c l es i z e d e c r e a s e df r o m0 1 5 c mt o0 1 0 c m ，t h el e n g t ho fc r a c kw i l lr e d u c e5 0p e r c e n t ，t h e n u m b e ro fb o n dd a m a g er e d u c e d6 3 6p e r c e n t ；t h es p e c i m e no fw e l l g r a d e ds i z ei s e a s yt oc r a c k ，w h e nt h ep a r t i c l es i z er a t i ob e c o m e sf r o m2 ：1t o1 ：1 ，t h el e n g t ho fc r a c k w i l ld e c r e a s e6 0p e r c e n t ，t h en u m b e ro fb o n dd a m a g ew i l lr e d u c e6 4p e r c e n t ；s t i f f n e s s f r o ml x l 0 4 l 【l n mi n c r e a s e st o3 x 1 0 4 l 【l n m ，t h el e n g t ho fc r a c kw i l ld e c r e a s e6 0 p e r c e n t ，t h en u m b e ro fb o n d i n gd a m a g ew i l lr e d u c e5 7p e r c e n t ；t h el e n g t ho fc r a c k a n dt h en u m b e ro fb o n d i n gd a m a g e ，i nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tf r o m0 1t o0 3 ，t h e c r a c kl e n g t hd e c r e a s e d6 0p e r c e n t ，t h en u m b e ro fb o n d i n gd a m a g er e d u c e d5 0p e r c e n t ， b u ti nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tf r o m0 3t o0 7 ，w h i c hd i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cf r a c t u r i n g , c l a y , p a r t i c l e f l o wc o d e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , m i c r o s c o p i ct h e o r y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：玉莉 叫1 年岁月，7 日 第一章绪论 1 1 水力劈裂的背景介绍 1 1 1 水力劈裂的定义 第一章绪论 水力劈裂( h y d r a u l i cf r a c t u r i n g ) 在石油开采，地应力测量，地热资源开发， 采矿等行业中又称为“水力压裂”或者“水压致裂”。调查t e n t o n 坝破坏原因的独立 小组【1 】给水力劈裂下了一个定义，“水力劈裂是指在高水头压力作用下，土体或 者岩体中裂缝的产生、发展并且相互贯通最终形成裂隙的过程”。 水力劈裂技术的首次应用是1 9 4 7 年由美国p a n 石油公司用于天然气开采井 增产【2 】，后来被广泛应用于石油和天然气开采领域。近年来，随着工程的发展， 水力劈裂又广泛应用于其它的岩土工程领域。随着工程背景的不同，水力劈裂 呈现利弊两个方面；一方面水力劈裂在很多领域有重要的应用，如原位地应力 测量【3 l 、环境工程、地基加郾4 】、地下注浆工程和地热开发等；另一方面水力劈 裂又可能给工程带来严重后果，如大坝渗漏与破坏、岩体中深埋隧道的涌水问 题、注浆过程中浆液流失等。下面将分别举例说明水力劈裂的利弊两方面。 1 1 2 水力劈裂的应用 ( 1 ) 水力劈裂的有利方面 在石油工程中，利用水力劈裂法来增加含油地层中裂缝的数量和增大裂缝 的开度，用来加快石油开采的速度并且增大单井田的产油量。 b j e r r u m ( 1 9 7 2 ) 5 1 提出用水力劈裂可以直接测得原位的最小主应力，此方 法由于它的简便性被广泛采用。在国内，对水力劈裂在原岩中地应力测试的研 究比较成熟，相关研究论文也比较多 6 - s 。 在地下注浆工程中，水力劈裂通常被认为是核心问题【9 】地下注浆工程多 用于矿山注浆治理、矿井突水事故处理、建筑地基的增强处理、水电工程中建 造的防水帷幕等领域。 水力劈裂还用于环境治理中，是推进涉及到地下流体的环境保护工程研究 的有效方法。如在地面下建立渗透性反应屏障p r b ( p e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r ) 中 第一章绪论 用以净化地下水，见图11 和图12 。水力劈裂所产生的裂隙空间为水化学反应提供 了场所也是污染物运移的通道。 图1 1 渗透性反应屏障i l o l i n ；t 肌d 。：l u n “n e 幽1 2 水力劈裂h j 怍净化地f 水所建立的渗透反应屏障i “ 除上述优点之外，水力劈裂还应用于能源_ l 二程，如地热资源的开发引起了 人们的必趣。地热开发= 艺是从地面扣多lj 井，用水力劈裂方法在地下注入 高压水制造裂隙将各井连通。然后从一螋井向地卜注入冷水，在地f 发生热交 换后，再从另外的井中将热水抽出。 ( 2 ) 水力劈裂的不利方面 水力劈裂可能是造成许多大坝渗水和甚至失稳的原因，如美国爱达荷州的 t e t o n 大坝和挪威郇j h y t t e j u v e t 大坝的坍塌眠 当压力灌浆时，水力劈裂被认为是砂土地基开裂和造成浆液流失的原因【3 i 。 因此，当注浆压力过大时通常会引发水力劈裂，a s c e 脚会根据实际经验提出了 一个最大灌浆压力的参考值。 第一章绪论 尽管水力劈裂技术已广泛剧于油气工业中，但是另方面，它可能住钻7 l 打钻过程中出现，并且引起钻) f 液的流失。如浅水流动现琢s w f ( s h a l l o w w a t e r f l o w ) f l a l ( 图l3 ) 通常发生在深海海底以下浅层有超压土层的情况下。由于这 种超压砂层的存在使得i l 隙压力大十静水压力，因而在岩组中打钻时需要相当 高的蚯力，然而由于h 三力太高水力劈裂电就容易产生了。浅水流动会导致钻 扎坍塌，孔内浆液沿着在孔周形成的水力裂隙在海底以下地层中流动，又从海 底大量喷涌出束，形成深沟，大坑等浆液中化学物质严重污染海水，同时也 给石油公司造成巨大经济损失。 图1 3 由丁s w f ；i 起的海洋地板损坏形成的淘【州 1 2 国内外水力劈裂研究的现状 对于同体材料( 比如岩) 中的水力劈裂研究通常足将岩廿作为连续体来 处理的，多采用断裂力学的方法进行研究，者石中的水力劈裂的传统理论是建 立在材料的抗拉强度的基础之上，通过将计算所得的应力强度闻于和断裂韧度 进行比较，坝测裂隙的产生。 期的水力劈裂研究认为，岩石的劈裂机理是劈 裂液的液体压力超过最小主应力，岩石在与最小主应力垂直的，j 向首先形成裂 隙，并沿这万向扩展，水力劈裂用来测地应力大小就是采用返一原理。对 f 岩石中的水力劈裂国内外已经有比较深入的研究，并且已建立起相对完整的 理论体系【1 7 - 2 3 1 。 相对于岩石来说，黏性上虽然表现出定的“黏聚力”，但是岩石中的水力劈 裂的传统翌f ! 论刘于阐述黏性十中的水力劈裂的根本机制是台适用还有待研究。 黏性十中的水力劈裂研究在团内外是个新兴的课题方向而在岩上t 程，环境 工程，特别是石油工程中有着非常重要的应用。黏性十中的水力劈裂，当前的 第一章绪论 大部分的研究是把它看成是近似固体材料，利用传统的断裂力学理论进行处理 2 , - 2 7 。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。目前水力劈裂研究主要有试验研究、 解析分析和数值模拟，以下就这几个方面作较详细的综述。 1 2 1 水力劈裂的试验研究 水力劈裂的的试验部分主要包括室内试验，现场试验。现阶段，室内试验 采用的一般是常规三轴试验设备，通常采用的是中间开孔圆柱状试样或者方形 试样。而野外现场试验一般采用的是钻孔注浆的试验方法。 ( 1 ) 室内试验 一些学者通过水力劈裂试验研究认为水力劈裂破坏为拉伸破坏，并且有些 学者认为劈裂方向与最小主应力方向一致。1 9 7 2 年，b j e r r u m l s 等利用常规三轴 试验装置，在试样底部插入小圆管并加水压进行了水力劈裂试验。试验结果表 明：试样裂缝闭合压力等于土的水平应力，试样沿垂直面劈裂且裂缝延伸到试样 边缘。并且n e r r i l m 在水里加了荧光粉试验后利用暗室技术拍摄到了垂直裂纹的 痕迹证明了水力劈裂沿最小主应力面产生而水压降低后裂缝闭合的观点。与此 结论比较相似的试验有1 9 7 3 年n o b a r i 等利用三轴仪研究了中空圆柱土试样的水 力劈裂破坏方式、劈裂面方向及裂缝的扩展方式。试验结果表明，水力劈裂为 发生在小主应力面上的拉伸破坏，裂缝既可以是垂直也可以是水平的，裂缝的 方向取决于试样的受力状态【2 8 1 。此外，1 9 8 1 年j a w o r s k i 和d u n c a n 1 通过对t e t o n 大坝的失稳调查时，采用失事后t e t o n 坝心墙料进行了原状样和重塑样的立方体 试件在常规三轴条件下进行了水力劈裂试验，发现当注水量显著增加时，立方 体试样发生破坏，凡乎所有劈裂面都与小主应力面平行，水力劈裂压力与初始 水平向总应力是线性相关的。通过分析，他们还得到了劈裂压力计算的经验公 式；1 9 9 3 年，m u r d o c h 2 1 - 2 3 1 对长方形黏质粉土试样进行了水力劈裂试验，试样中 间预设裂缝，水压力从裂缝中施加并逐渐增加直至发生水力劈裂破坏。试验结 果表明水力劈裂的发展方向与最小主应力的方向是一致的。并且m u r d o c h 进行了 几组不同含水量试样的水力劈裂试验，分别得出各自不同的劈裂压力并且将试 验观察到的结果与通过理论计算的结果进行对照，结果较一致；1 9 9 5 年， m u r d o c h 2 9 还通过对粉质黏土进行水力劈裂试验，指出与裂缝垂直的正应力小于 4 第一章绪论 水力劈裂压力。 另有一部分学者也认为水力劈裂破坏为拉伸破坏，但是他们更加着力于劈 裂压力的研究。1 9 7 4 年，b o z o z u k 3 0 l 利用水力劈裂方法对黏土进行了水力劈裂试 验，试验结果表明劈裂压力与土体中的小主应力相等；1 9 8 5 年，孙亚平 3 1 1 利用 自制的水力劈裂装置对中空圆柱黏土试样进行了水力劈裂试验，得出土体中的 有效小主应力达到土的抗拉强度是水力劈裂发生的必要条件之一：1 9 8 9 年，黄 良辉3 2 l 通过对各种边界条件及初始状态下的厚壁圆筒黏性土试样进行水力劈裂 试验，提出复杂应力条件下发生水力劈裂的判别条件仍是有效小主应力达到土 体的抗拉强度；2 0 0 6 年曹建建【3 3 】开展了黏性土中空圆孔试样的水力劈裂试验， 得到了水力劈裂压力与最小主应力近似呈线性关系的结论，并且认为劈裂压力 随孔径的增大而减小。 而一些学者通过大量的水力劈裂试验研究认为水力劈裂破坏为剪切破坏， 还得出了相应的水力劈裂的判别准则。1 9 8 6 年f u k u s h i m a 3 4 1 在实验室对一系列 密实的黏性砂土的中空柱状试样进行水力劈裂试验，在假设应力在任意方向上 线性分布的前提下，比较有效应力与总应力的结果，发现试样拉应力的有效应 力几乎可以忽略，并且水力劈裂破坏准则可用摩尔一库仑准则代替。得到近似 结论的试验还有1 9 8 1 年d e c k e 等对低塑性击实黏土进行了常规三轴试验，通过 插入试样内的注射器针头施加水压力以产生水力劈裂，试样破坏时注水量显著 增加。试验结果近似符合摩尔库仑剪切破坏准则；1 9 8 9 年，p a n a h 和y a n a g i s a w a 研究水力劈裂的机制，通过对中空柱体黏性试样进行不固结不排水剪切试验得 到水力劈裂判别准则符合摩尔库仑准则，并且基于圆孔扩张理论推出了劈裂 压力的计算解答1 3 5 】，其试验装置见图1 4 。1 9 8 7 年，m o i l 等【3 6 i 做了中空圆柱体 黏性土试样的水力劈裂试验，他们得出水力劈裂的剪切破坏的机理，得到水力 劈裂压力与总应力之间的关系式；1 9 9 0 年，m o i l 等又用水泥浆代替水，分别对 中空圆孔无黏性土和黏土试样做了水力劈裂试验。试验结果为在无黏性土中水 泥浆黏度对起始劈裂压力影响较小，对于黏性土发生剪切破坏。 5 第章绪论 图l 4 水力劈裂三轴试验设备p s i 1 9 8 5 年，h a s s a n i 研等对厚壁圆筒黏性土试样进行了普通三轴试验。研究了 土体围压等因素对水力劈裂压力的影响。试验结果显示劈裂压力与围压成线性 关系。后来，d ep a t e r p e 一3 9 在不同瑚压下注射浆液进松散砂土中的水力劈裂试验， 试验表明田压对初始劈裂压力的影响很大。1 9 9 0 年，1 o 4 0 l 等对相同围压不同固 结度的含砂粉质黏性土中空圆柱试样进行了水力劈裂试验，研究固结条件对劈 裂压力的影响。试验结果为在相同围压下，饱和固结条件下试样的劈裂压力最 大，饱和不同结条件下试样的劈裂压力最小，不饱和不固结条件下劈裂压力居 于中间。 2 0 0 5 年，张辉进行了厚壁圆筒水力劈裂试验。通过预设裂缝的方法证明 了土体中微裂缝或缺陷的存在会促进水力劈裂的发生，并证明了水力劈裂的破 坏形式是局部土体达到塑性破坏后的渐进拉裂破坏；同时，张辉还进行了非饱 和黏性土三维应力状态下的水力劈裂试验，依据试验结果得到了水力劈裂压力 的经验表达式：2 0 0 1 年，k f a r o 4 2 j 等通过对预制水平和垂直裂缝试样进行水力劈 裂试验，再一次得出了水力劈裂拉裂破坏的机理并且认为预设裂缝的存在会降 低起始劈裂压力但其并不会影响裂缝发展的方向。 对于无黏性土的水力劈裂也有了一定的试验研究，但是研究比较少，这方 面的研究主要有2 0 0 3 年d ep a t e r 3 s l 进行了在不同围压下注射浆液进松散砂土中 的水力劈裂试验，试验结果有浆液渗透和水力劈裂两种现象，试验表明初始劈 6 第一章绪论 裂压力足围压的2 5 倍，试验表明围压对初始劈裂压力的影响很大 2 0 0 6 年d ep a t e r 和b o h l o l i 3 9 1 指出无黏性土中的水力劈裂机理是不同于脆性岩石的， 在实验室用水力劈裂双轴试验设备( 图1 5 ) 对非固结岩士的水力劈裂产生和发 展进行了研究。用各种贯注液体以不同的围压注入试样并且观察水力劈裂的产 生和发展，通过研究得出水力劈裂受贯注液体的种类、灌注孔隙的几何形状和 限定围压大小有显著的影响；2 0 0 4 年h o n g c h a n g l l s j 致力于粒状材料中水力劈裂 的研究，通过变化六个试验参数进行了一系列的室内模型试验，见图1 6 ，试验 说明水力劈裂在粒状材料中不仅是可能的，并且提出了粒状材料中的水力裂隙 扩展的物理机理概念模型，但是还没有进行数值模拟试验。 幽1 5 水力劈裂删试的艘轴试验设备1 3 9 1 图1 6 粒状材料中水力劈裂试验装置示意圈吲 第一章绪论 ( 2 ) 现场试验 现阶段，水力劈裂的现场试验主要采用的是在现场黏土心墙和堤坝中钻孔 注浆来实现的，用来讨论水力劈裂的裂缝的发展方向与分布规律，以及劈裂压 力与最小主应力之间的关系。以下将详细的列举黏性土中水力劈裂的现场试验 研究现状： 1 9 7 6 年，调查t e t o n 坝失事原因的一个研究小组【4 3 小】进行了两组现场水力 劈裂试验，试验结束后的开挖显示，大多数水力劈裂面是垂直的且与坝轴线方 向正交，也有少数裂缝是水平的。通过试验该研究小组提出，水力劈裂发生在 土体抗拉强度与最小主应力之和小于水压力的区域。 1 9 6 6 1 9 6 8 年，b j e r r u m 等对以色列死海边上一蓄水池坝体的黏土心墙进行 渗透试验时发现，当水压力超过上覆土重的4 0 - - 一5 0 时，黏土心墙的渗透系 数突然由1 0 胡m 墨量级加大至1 0 。6 朋s 量级，即发生了水力劈裂。并认为，心 墙土的拱效应可能是在如此低的超静水头下发生水力劈裂的原因。 1 9 6 8 年，k j a e r n s l i 和t o r b l a a 对在挪威附近h y t t e j u v e t 水坝严重泄漏的事 件进行现场测试，通过试验得出水力劈裂压力远小于上覆有效土重1 4 5 1 。1 9 7 2 年 b j e r r u m l 5 1 等在死海附近对一黏性土心墙围堤进行了一系列现场渗透性试验。试 验时将多孔的测压管插入心墙中，有些试验结果显示当水压力为上覆有效土柱 重的0 2 倍时就有水力劈裂现象的发生。即说明水力劈裂压力是由有效最小主应 力控制而不是由有效大主应力控制的。 1 9 7 4 年b o z o z u k 4 6 1 用水力劈裂方法对渥太华地区海相黏土做了1 8 组试验， 进行地应力测量来确定静止侧压力系数，试验结果显示产生水力劈裂时，其劈 裂压力等于最小主应力。 1 9 7 6 年，p e n m a n 4 7 1 在u v nb r i a n n e 坝和s c a m m o n d e n 坝的黏性土心墙中进 行了现场水力劈裂试验。通过增加测压管中的水压力产生劈裂裂缝。结果显示 水力劈裂通常发生在黏性土心墙水平特征面的方向上。 1 9 9 5 年m u r d o c h 2 9 1 在超固结黏砂层中沿着长1 3 m 深2 2 m 导流裂隙的进行了 水力劈裂现场测试用来模拟油气田中的水力劈裂。他认为水力劈裂的发生和发 展方向由地面的加载控制。除上述研究者外，1 9 9 6 ，h o c k i n g l 4 s l 进行水力劈裂的 现场试验，试验结果见图1 7 。 8 第一章绪论 幽1 7 现场试验中的水力劈裂1 4 8 l 水力劈裂的现场试验研究虽然能够大体上反映水力劈裂发生时原位的应力 状态和应力位移边界条件，但是其也具有明显的缺陷：首先，边界条件却无法 精确地确定和控制：其次，对试验结果的解释存在一，止的困难，上述的现场试 验结果显示，在不同的水力劈裂现场试验中，裂隙的产生情况办各不相| 司，带 有明显的地区性和经验性；除此之外，试验结果大多是水力劈裂压力与小主应 力之问的简单关系，因此，此关系表达式仅可作为经验判断标准柬指导工程实 践。由于上述原因使水力劈裂的进步的解析分析研究显得非常必要。 1 2 2 水力劈裂的解析分析 当前文献中的解析分析主要是针对劈裂压力的预测。研究方法j ：要是假定 上体为均匀的备向同性的弹性材料，结合弹塑性力学中的圆孔扩张理论求解相 应厚壁圆柱试样劈裂压力的公式，如图1 8 所示。 第一章绪论 图1 8 钻孔附近水力劈裂的应力状态1 2 1 1 弹性力学中圆环周围应力的拉梅解答为： 根据在r a 处的边界条件： fq = 砧， 一q 2 + 6 2 弦r + 扬2 吒 ( 1 2 ) 1 。万奢一 若假定水力劈裂是拉裂破坏，则劈裂压力： 驴坐喾等丝 q 3 ， 其中仃是土体的抗拉强度，a 、b 分别为圆孔内外半径。孙亚平( 1 9 8 5 ) 3 1 1 在劈裂压力推导中假定孔内壁的环向应力等于土的极限抗拉强度时则产生水力 劈裂。曾开华( 1 9 9 1 ) 4 9 1 基于拉裂破坏机理，并考虑中主应力的影响，推导了三向 应力作用下中空圆孔土体水力劈裂的弹性和弹塑性理论解。 若假定水力劈裂是剪切破坏，则根据莫尔一库仑准则，劈裂压力可用下式 表示： 比r ；擎掣吼+ 百c ( b 2 - a 2 ) c o s q ( 1 4 ) b 2 + a 。s i n 妒 “ b + a 2s i n 妒 、 1 0 生皓砖弓 熟裂沁 第一章绪论 p a n a h ( 1 9 8 9 ) 3 5 1 和l o ( 1 9 9 0 ) 4 0 1 都根据莫尔一库仑准则进行了劈裂压力的弹 性解研究，并得出相应的劈裂压力计算公式，但是二者不同之处是p a n a h 在解答 中假设了砂土中的抗拉强度为零。 除了上述圆孔扩张理论来推导劈裂压力的方法外，还有一些研究是通过大 量的水力劈裂室内试验得出计算劈裂压力的经验公式。其中比较经典的如 b j e 姗m ( 1 9 7 2 ) 1 5 1 和j a w o r s k i ( 1 9 8 1 ) 1 1 1 j 1 庭过室内试验得出以下经验公式： h ，- 刀m ，；由+ 露 ( 1 5 ) 其中仃曲为最小主应力，m 和n 是试验所得的常数，m = 1 2 ，n 与土的特 性有关。 s e e d 和d u n c a n ( 1 9 8 1 ) 1 5 0 l j l 臣过试验分析得到了如下计算劈裂压力的经验公 式： “， 0 3 + q ( 1 6 ) 其中以为最小主应力，q 为土体的抗拉强度。 1 2 3 水力劈裂的数值模拟 随着计算机技术的发展，并且由于数值模拟试验具有低成本、可重复性和 试验条件的理想性等优点，使得数值模拟在水力劈裂的研究中得到了广泛的应 用。有限元方法，作为一种数值模拟方法，已经应用于许多科学与工程领域中。 当前对于水力劈裂的数值模拟研究中采用的软件仍以有限元为主【捌 2 4 1 1 2 5 1 1 4 0 1 1 4 2 1 。 1 9 7 3 年，n o b a r i l 2 s l 等人通过平面有限元分析方法研究了堆石坝心墙的坝高、 心墙宽度、心墙填筑含水率、心墙形状、过渡层等因素对心墙应力拱效应的影 响，分析了心墙发生水力劈裂的可能性。 1 9 7 6 年，s e e d 5 0 l 对美国t e t o n 坝的溃坝事件进行事后分析，用有限元来分析 研究了水力劈裂的影响。 n g 等( 1 9 9 9 ) 5 1 1 基于b i o t 固结理论用有限元方法模拟了h y t t e j u v e t 大坝心墙 泄漏问题，通过数值计算结果认为导致该坝发生破坏的主要原因是水力劈裂。 r f p a 程序( r o c kf a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i s ) 是一种有限元方法理论，广泛应用 于分析岩石、混凝土等脆性材料破坏。曹建建( 2 0 0 6 ) 3 2 1 j 1 匿过修改r f p a 软件参数 值分别对开孔、开缝及多孔试样进行了水力劈裂全过程数值模拟，并且对心墙 水力劈裂的影响因素进行了研究。 有限元方法是一种基于连续介质力学理论的数值计算方法，用连续介质理 1 1 第一章绪论 论分析松散介质，采用何种本构模型，一直以来存在很多争议。并且，建立在 连续体假设的本构模型，其计算结果的精度，很大程度上取决于模型的参数， 这些模型参数往往没有很明确的物理意义。因此，其应用于黏性土中有它的局 限性，它无法客观的反映黏性土材料的变形和应变特征，不能反映颗粒之间的 相对运动。而采用以p f c ( p a r t i c l ef l o wc o d e ) 为代表的离散元方法则可避免这一 问题。利用p f c 对水力劈裂的模拟就目前所知的只有d ep a t e r 和w u 。d ep a t e r ( 2 0 0 3 ) 利用p f c 对砂中的水力劈裂进行了二维流数值模拟，模拟中生成了2 0 ，0 0 0 个圆形颗粒，得出了劈裂压力的数值模拟结果，与其试验结果较为一致。w u ( 2 0 0 6 ) 1 5 2 1 用p f c 对注浆条件下的水力劈裂的产生过程、劈裂方向进行了初步模 拟。 综上所述，目前黏性土水力劈裂的离散元数值模拟还处于起步阶段，对于 黏性土水力劈裂的各种影响因素和水力劈裂的破坏机理还有待于进一步的研 究。 1 2 4 当前对水力劈裂现象的认识 水力劈裂作为一种物理现象具有按时间顺序的不同发展阶段，当前的研究 中对劈裂的不同阶段已有了基本的划分和阐述。对其劈裂过程的基本物理机制 的探讨也一直是研究中的核心问题之一，以下就在这两方面对水力劈裂的认识 进行阐述和分析。 ( 1 ) 水力劈裂的阶段分析 当前大多数学者将水力劈裂过程划分为两个阶段，即没有对劈裂产生后的 阶段进行深入的研究。c h a n g ( 2 0 0 4 ) 1 5 1 通过大量的试验分析，将水力劈裂全过程 分为三个阶段：圆孔扩张、劈裂产生和劈裂扩展。 圆孔扩张阶段：是指注入压力达到峰值前有较多塑性带形成的阶段【5 】。塑 性带的形成据推断有多种形式，其中较为普遍认同的是剪切带的形成，a l s i n y ( 1 9 9 2 ) i 5 3 1 和d ep a t e r ( 2 0 0 3 ) 1 3 s l 观察到在松散层中水力劈裂产生前的钻孔附近的变 形( 图1 9 ) 。k i m ( 2 0 0 5 ) 【5 4 】通过数值模拟观察到了剪切带的形成和剪切带边界， 这一现象与a l s i n y 和d ep a t e r 的实验观察结果相似。 1 2 图1 9 水力加