（水力学及河流动力学专业论文）岩体水力劈裂试验及裂纹扩展的无单元法计算.pdf

摘要 岩体水力劈裂问题是裂隙岩体渗流一应力耦合研究的一个分支，对 于它的研究尚处于初始阶段，许多基本的理论问题有待进一步深入研究。 随着社会的发展，现今许多大型工程的建设正在向地下发展，地下 工程离不开水压的作用，这推动了岩体水力劈裂理论的研究。 水力劈裂首先作为一种技术最初应用于石油工业以增加油井产量， 后来用于初始地应力测量。随着水电工程建设、井工矿石开采、地下核 废料储存、地热开发等越来越多的岩土工程都处于高水头、大埋深等恶 劣水文地质条件下，岩体水力劈裂逐渐受到越来越多工程晃学者的关注。 本文在国家自然科学基金重点项目的支持下开展了岩体水力劈裂的 基本试验与计算方法的研究。首先对岩体水力劈裂研究的现状作了较为 详细的综述，然后应用河海大学渗流实验室的渗流一应力耦合试验仪对 以水泥砂浆为岩石相似材料的厚壁圆筒试件进行了水力劈裂试验，并对 试验结果进行详细分析，对试件水力劈裂破坏机理进行了深入的探讨。 本文介绍了无单元计算方法基本原理及如何应用无单元法对岩体裂纹扩 展进行计算追踪，然后应用无单元法模拟试件在无围压条件下水力劈裂 裂纹扩展的过程，并与实际情况作了对比分析。 最后，本文总结了研究中尚未解决的问题，并提出了展望。 关键词：岩体耦合水力劈裂厚壁圆筒无单元法 滑动最小二乘法裂纹追踪 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n go fr o c km a s si so n ee m b r a n c h m e n to ft h ef i s s u r e dr o c k m a s ss e e p a g e s t r e s sc o u p l i n gr e s e a r c h u pt on o ws t u d yo nt h i sp r o b l e mi sj u s ti ni t s i n i t i a ls t a g e ，l o t so fb a s i ct h e o r e t i c a lp r o b l e m ss h o u l db er e s e a r c h e dm o r ed e e p l y a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y , l o t so fh e a v y c o n s t r u c t i o n si sd e v e l o p i n g t ot h eu n d e r g r o u n d ，u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g c a n t s e p a r a t e w i t ht h ef o r c eo f g r o u n d w a t e r , a l lo f t h e s ep r o m o t e t h ed e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i cf r a c t u r i n g r e s e a r c h h y d r a u l i cf r a c t u r i n gi sf i r s t l ya p p l i e dt o i n c r e a s et h eo u t p u to fo i lw e l la sa t e c h n i q u e ，a n dt h e n i s a p p l i e d t ot e s tt h ep r e l i m i n a r y g r o u n ds t r e s s a l o n gw i t h c o n s t r u c t i o no fh y d r o p o w e rp r o j e c t ，e x t ) l o i t a t i o no fo r e ，d e p o s i t i o no f n u c l e a rw a s t e ， d e v e l o p m e n t o ft e r r e s t r i a lh e a ta n ds oo n , m o r ea n dm o r eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi s i nt h e h i g hh y d r a u l i ch e a d ，a n dd e 印e m b e d d e dg e o h y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n ，t h e h y d r a u l i cf r a c t u r i n go fr o c km a s si sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb ye n g i n e e r i n g s c h o l a r s i nt h i s t h e s i s ，h y d r a u l i c f r a c t u r et e s tb a s i cr e s e a r c ha n dc a l c u l a t i n gm e t h o d w a s d e v e l o p e db ys u p p o r t o f t h e k e yp r o j e c to f n a t i o n a i n a t u r a ls c i e n c e f u n d f i r s t l y t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f h y d r a u l i cf r a c t u r i n go f r o c km a s sw a st a l k e da b o u t ，t h e n ，t h e h y d r a u l i cf r a c t u r i n go fr o c km a s st e s tw a sc a r r i e do u t 谢t h c e m e n tm o r t a r ( a n a l o g u e m a t e r i a lo fr o c km a s s ) t h i c kt u b eh o l l o wc y l i n d e rt h r o u g hs e e p a g e s t r e s sc o u p l i n g a p p a r a t u st h a tw a sd e v e l o p e db y t h el a b o r a t o r yo f s e e p a g ec o n t r o li nh o h a l t h r o u g h t h ea n a l y s i so f d a t a , t h et h e s i sd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo f t h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n go f r o c km a s s t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo f e l e m e n t f r e em e t h o d ，a n dh o wt o t r a c et h ec r a c kp r o p a g a t i o no fr o c km a s s ，t h e ns i m u l a t e dt h ec r a c kp r o p a g a t i o no ft e s t s a m p l ew i t h o u to u t s i d eh y d r a u l i cp r e s s u r e ，a n dc o m p a r e dt h ec a l c u l a t e dr e s u l tw i t h t h ef a c ts t a t u s a tl a s t ，t h et h e s i ss u m m e du pt h eu n s o l v e d q u e s t i o n s ，a n dp o i n t e d o u tt h e e x p e c t a t i o n s k e y w o r d s ：r o c km a s s ；c o u p l i n g ；h y d r a u l i cf r a c t u r i n g ；t h i c kt u b eh o l l o wc y l i n d e r ； e l e m e n t - f r e em e t h o d ；m o v i n gl e a s ts q u a r e sm e t h o d ；f r a c t u r e p r o p a g a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 工程岩体在水的渗流与应力相互作用下的变形、破坏是许多工程共同关心的 问题。在边坡工程、矿井突水、水电站大坝运行稳定性、核废料地下处理的污染 泄漏等工程中都是需要重点研究的问题。国内外都有许多学者致力于渗流应力 耦合问题的研究，并且提出了多种理论分析和数值模拟的模型。 针对不同的工程背景，岩体渗流一应力耦合研究包括以下两个方面“3 ：一是 固体( 岩体) 在应力作用下的变形对流体渗流( 裂隙渗流) 的影响，研究重点偏 向于流体力学( 流场) ；二是在水渗流( 流速，水压力) 作用下，固体骨架( 岩 体) 的力学反应( 包括岩体的变形、破坏、稳定性等) ，研究重点偏向于固体力 学( 应力场、变形场) 。目前，国内外学者对前者的研究较多阻3 “1 ，而对后者 相对较少”“、7 1 ，还不能满足工程需要，有待于迸一步的研究与探索。 岩体渗流一应力耦合的研究始于二十世纪5 0 年代末。1 9 5 9 年，法国马尔帕 塞拱坝( m a l p a s s e td a m ) 在初次蓄水郎遭全坝溃决，b e l l i e r 雎3 和w i t t k e 吟分析 后认为：破坏是由于应力环境改变后导致岩体的渗透性发生变化而诱发的，这揭 示了裂隙岩体渗流一应力祸合作用的重要性。又如，1 9 6 3 年意大利的瓦依昂拱 坝( v a j i o n td a m ) 上游右岸大滑坡事故l 1 03 ) 1 9 7 6 年美国的第顿坝( t e t o nd a m ) 垮坝事故e l i 国内梅山连拱坝右岸基岩出现大量漏水险情n 2 1 等，这些工程事故 的发生都与渗流、应力问题有直接关系，引起了岩土工程界对岩体渗流一应力耦 合问题的关注。 岩体水力劈裂是裂隙岩体渗流一应力耦合研究的一个方面，岩体水力劈裂是 指由于水压的抬高，在岩体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象e 1 3 o 它反映 了渗透水压力对岩体结构的作用影响。水力劈裂作用大量应用于石油开采业，在 岩土工程、水工建筑中也存在许多水力劈裂问题，它反映了岩体在水压力作用下 引起的变形和破坏，是岩体应力场一渗流场耦合的一个重要研究领域，也是一全 新的研究领域，所以岩体水力劈裂作为一项基础性研究，不论是用于生产还是保 护工程结构的安全有着极其重要的现实意义。 1 2 水力劈裂研究的产生背景及研究意义 1 2 1 水力劈裂问题提出的背景与实例 水力劈裂( h a d r a u l i cf r a c t u r i n g ) 理论与技术，水力劈裂分析方法是在石油 河海大学硕士学位论文 工业5 0 多年调查的基础上随石油、天然气的开发而发展起来的。水力劈裂最先 应用于石油行业，作为一种提高石油产量的方法，是四十年代石油开采业的重大 发展。1 9 4 8 年，j b c l a r k “4 1 介绍了水力劈裂法在石油开采中的作用。随后，在 石油行业广泛应用。该方法主要原理是在顶部封堵的钻孔中施加足够高的水压， 使钻孔周围的岩体产生裂缝，并维持水压使裂缝进一步扩展，在岩体中形成新的 通道，并在注入的高压水中掺入悬浮颗粒材料，在水压降低后可维持裂缝张开， 以此作为出油通道以提高出油量。 水力劈裂问题从提出到现在已近半个世纪，现在，水力劈裂方法不仅应用于 石油领域，而且在岩土工程，水工建筑中都有广泛的应用。 水力劈裂应用于岩体工程领域较早，技术比较成熟的是原位地应力的测量 n 5 1 6 3 。采用水压致裂法测量地应力的基本假设：岩石是脆性、线弹性、均匀和 各向同性及非渗透性的，而且岩层的一个主应力方向与钻孑l 轴平行。李自强等m 研究后认为，水压致裂测量地应力的方法仅适用于地下5 0 0 m 以内的地应力测量， 超过这一深度后张性破裂理论就暴露了局限性与不完全性。 水力劈裂被认为是地下注浆工程的核心问题，地下注浆工程多用于建筑地基 的增强处理m 1 、水电工程中的防水帷幕c 1 9 , 2 0 3 矿山注浆治理矿井突水事故1 等领域。 水力劈裂有着正反两方面的作用，它除了在石油增产、大坝防渗加固等方面 有着广泛的应用，但许多工程事故，尤其在水利方面如土坝的渗水、破坏；压力 输水隧洞的破裂漏水等，水力劈裂是这些事故的重要因素之一。 在土木工程中，人们发现钻孑l 中压力达到一定值，流体突然消失。尽管可能 归因于坝体中存在裂缝，但多次坑探观察表明并没有可见裂缝。后来，将其原因 归结为孔中液体压力提高引起周围土体或岩体开裂。最为人们所关注的莫过于土 坝中的水力劈裂问题。1 9 5 7 年，b l o f q u i s t 旺2 3 提出，土坝心墙的拱效应可能导 致大坝的渗漏和侵蚀破坏。如心墙中垂直应力小于上覆土体重量，使得在心墙中 产生水平缝的可能性增大，心墙作为防渗体的作用将受到严重危害。1 9 7 3 年， j l s h e a s d ”例举了一些设计合理，施工精良的大坝在蓄水后发生意外漏水工程 实例。如挪威的海提尤维特大坝( h y t t e j u v e td a m ) ，英格兰的巴德黑德坝 ( b a l d e r h e a dd a m ) ，印度尼西亚的贾提路哈坝( d j a t i l u h u rd a m ) 等。英格兰巴 德黑德坝( b a l d e r h e a dd a m ) 为具有狭窄土质心墙的堆石坝，于1 9 6 5 年建成， 1 9 6 6 年水库达最高水位时大坝渗流量剧烈增加。1 9 6 7 年坝顶上游边缘坍塌，心 墙有较大范围的冲蚀破坏区。j l s h e a s d 分析认为由于拱的作用，使心墙水平面 上垂直总压力降低，从而在水库高水位水压力作用下，大坝产生水力劈裂裂缝， 穿透心墙，形成渗透通道。如果心墙采用高塑性粘材料，则当水库水位上升到 第一章绪论 一定高程后，大坝渗流量急剧增加，而当水库水位降低后，裂缝又闭合，渗流量 降低，水压力大小不同，可导致渗流系数相差成百上千倍，印度尼西亚的贾提路 哈大坝( d j a t i l u h u rd a m ) 渗漏事故2 4 3 就是一个很好的实例。如果心墙采用的是 粘滞性差，极易冲蚀的砂性粉土，则出现裂纹通道后，粉土极易从通道流失，最 终造成大坝失事，如美国爱德华州的第顿大坝( t e t o nd a m ) 垮坝事件 2 5 o 国内外有许多输水隧洞，由于覆盖岩体过薄，岩质风化严重等原因，在使用 过程中由于水击的作用，隧洞产生水力劈裂破坏。如1 9 8 1 年，挪威的尼尔奥萨 电站( n y eo s ah y d r o p l a n t ) 的压力隧道为一在山体中开凿出的岩体隧洞，由于 岩质质体良好，因此没有做人工衬砌。在第一次充水对，隧洞下段发生水力劈裂， 即隧洞上端覆盖山体生成一沿隧洞走向的裂缝。事故发生后，隧洞采用钢筋混凝 土衬砌加固，但充水后，隧洞下段又再次发生水力劈裂，最后，隧洞下湍采用钢 衬才没有再发生开裂n “。 据上所述，水力劈裂是一把双刃剑，深入研究它的机理变化发展规律，不但 可以为生产服务，也可预测工程中可能发生的事故而防患于未然，因此，深入研 究它，并在理论技术上准确掌握利用它将会在经济和社会两方面产生明显的效 益。 1 2 2 岩体水力劈裂的定义及研究意义 自1 9 4 8 年j b c l a r k “”提出“水力劈裂”概念后，人们就开始了对其机理的 探索。关于岩体水力劈裂的概念也有一个发展过程。1 9 7 6 年，h b o l s t o ns e e d 对水力劈裂下的定义为，“当作用于岩体或土体某个面上的水压力超过该面上的 垂直总压力与岩体或土体抗拉强度之和时，引起岩体或土体中微裂缝的产生与发 展，该现象称之为水力劈裂。”这是六、七十年代人们从工程中得到的较直观的 认识。国内，黄文熙于1 9 8 2 年下的定义是“水力劈裂是由于水压的抬高，在岩 体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。”该定义较前者定义更加具有 概括性，将水力劈裂定义由一般工程概念上升到了理论的高度。1 9 8 4 年，c w i l s o n 下的定义与黄文熙的相似，他指出，“水力劈裂是指由于土体或岩体表面或其中 的水压力的影响，在土体或岩体中引起裂缝产生与发展的一种现象。”。 岩体水力劈裂的研究具有以下几方面的意义； l _ 通过对岩体水力劈裂的研究，进一步了解岩体由于水的存在及在水压力 作用下，岩石材料性质、内摩擦角等有 可不同；岩体的破坏强度、破坏形式如何 变化，进一步完善岩体的破坏原理。 2 岩体水力劈裂机理的研究，能够为工程建设提供新的技术方法。包括为 油井增产，地应力测量等应用水力劈裂的工程项目。 一3 河海大学硕上学位论文 3 对岩体水力劈裂机理的研究可为水工压力隧洞稳定性、矿井突水预防及 事故发生后如何采取及时、有效、经济的治理措施提供了理论基础。 4 岩体水力劈裂的研究还可以应用到其他领域，如地下核废料的安全储存、 地下污染物质的迁移，火成岩的侵入过程研究等。 总之，开展岩体水力劈裂理论及技术的研究，不仅可以推进渗流一应力耦合 研究的深度和广度，具有重要的理论研究意义，而且它能够为工程建设服务，具 有广泛的实用价值。 1 3 岩体水力劈裂的研究概况 近几十年中，国内外许多学者针对岩体水力劈裂问题作了大量的现场试验、 实验室研究和理论方面的探讨，出版了许多有关方面的书籍、文章，对于水力劈 裂的机理提出了许多经验公式和理论见解。 1 3 1 岩体水力劈裂的现场试验研究 水力劈裂自1 9 4 7 年在美国首次试验成功后，主要应用于石油工业油气井增 产方面。岩体工程领域中，应用较早、技术也比较成熟的是应用水力劈裂技术进 行现场钻孔试验以确定岩层地应力。 1 9 5 7 年，m k i n gh u r e r t 和d a v i d qw i l l i s 陀引经过现场试验研究，在“水 力劈裂力学机理”一文中，就对岩体钻孔水力劈裂压力问题作了详尽描述。他们 认为无论液体能否渗入岩体，开裂面总是垂直于小主应力方向。对于不同的地质 构造，地表岩层中小主应力可能是水平的，也可能是垂直的。 1 9 6 8 年，b h a i m s o n 2 9 3 应用钻孔水力劈裂技术确定岩层应力作了一定的 研究。他把岩体作为一种脆性的，匀质的，各向同性的有孔介质材料，认为钻孔 壁切向应力达到岩石的抗拉强度时发生开裂。他还发现，透水性岩石造成水力劈 裂的压力总是小于不透水性岩石。对一个无限中空圆柱体，他推出发生沿垂直方 向裂缝的起始水压力计算公式： “，= 2 0 + r al 其中：”为临界水力劈裂压力 o - 。为岩石最小主应力 正为岩石抗拉强度 第一章绪论 在国内，这方面的研究论文出现较早，数量也比较多3o 3 1 。其中李自强7 3 等研究后认为，水压致裂测量地应力的方法仅适用于地下5 0 0 m 以内的地应力测 量。超过这一深度后张性破裂理论就暴露了局限性与不完全性。当深度大于5 0 0 m 时，岩石先发生剪切破裂，然后才受拉而破坏。 另外，为了研究不衬砌压力隧道或压气式调节室的合理布置，近二十年来， 挪威水利专家利用水力劈裂试验作为测试手段之一幢酗。 他们假定岩体是脆性的弹性介质，岩体是均匀等向的。钻孔方向应平行于某 一主应力，另外两个主应力垂直于孔轴。最后得出劈裂压力与应力关系式为： ：旦塑堡 ( 1 一1 ) “ i 一2 、。 一“一 i 一“ 式中，为透水岩体临界劈裂压力 盯，岩石的抗拉强度 a ，小主应力 ( 9 - ，大主应力 ，口为弹性岩石的参数 1 3 2 岩体水力劈裂的室内试验研究 对水力劈裂的室内试验研究主要是利用中空圆柱体试件( 厚壁筒) 或钻孔试 件来探讨水力劈裂的规律。 为研究土石坝心墙水力劈裂条件，1 9 7 3 年，e s n o b a r i 眦 首次采用了中 空圆柱试件，在室内做了砂质粘土试件的水力劈裂研究。他设计了四种应力路径 进行试验，一般研究破坏形式、破坏过程和最小主应力问的关系。这四种应力路 径是： ( 1 ) 由内向外径向稳定渗流，减小轴向力： ( 2 ) 由外向内径向稳定渗流，减小轴向力； ( 3 ) 增加内孔水压力； ( 4 ) 内外水压相等，减小轴向力。 试验结果表明，无渗流时，上述第( 4 ) 情况，水力劈裂在全断面同时发生； 有渗流时，上述第( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 情况水力破裂在应力最低点首先发生，后逐 渐扩展到整个断面。试验后发现，上述第( 3 ) 情况为垂直裂缝，第( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 情况为水平裂缝。 e s n o b a r i 的研究具有开创意义。虽然没有对水力劈裂的机理进行深入分 析，试验的应力边界条件也不明确，但他的实验定性的说明了水力劈裂与有效应 力、渗流的关系 一5 河海大学硕士学位论文 八十年代，我国也开始了比较系统的水力劈裂研究，取得了一些成果，但大 多数研究都是用土体试件b 3 3 4 、3 5 1 o1 9 8 2 年，清华大学水力劈裂小组，黄文熙、 丁金粟、孙亚平等利用厚壁圆柱土体试件、薄壁圆柱土体试件进行了一系列的土 体在渗流场中的水力劈裂试验研究。对土体的拉伸破坏为土体水力劈裂的必要条 件进行了严格的验证，并得到了满意的结果口“。1 9 8 4 年，北京水利水电科学研 究院的陈愈炯、朱建华等人利用中心钻孔的圆柱试件，研究了试件尺寸、试件渗 水性、水压上升速率等因素对水力劈裂的影响。通过研究，他们认为，水力劈裂 既不是一点破坏导致整体破坏，也不是整体达到强度极限后达到破坏形式，而是 介于两者之间，水力劈裂压力随孔壁厚度及加压速率的增大而增大”。 另外，近几年中国石油大学渗流实验室对岩体水力劈裂也做了一些研究，陈 勉、庞飞3 ”等人采用一个大尺寸真三轴模拟系统模拟地层条件，对立方体岩体 试件进行水力劈裂试验。试验主要是研究岩体水力劈裂裂纹的走向及裂纹宽度的 影响因素，主要为石油增产而开展的研究。试验中采用了声波对裂纹扩展进行测 试，但只能测试裂纹的扩展速度，还不能确定裂纹扩展的具体走向及位嚣。 从目前的资料来看，国外对岩体水力劈裂试验研究相对活跃一些。 八十年代末，b l a i ra n dt h o r p ee ta 1 ”9 1 设计实验研究了水压导致的裂纹在石膏 水泥基质以及石膏水泥与砂岩块体交界面上的萌生和发展。实验设计是在石膏水 泥基质中预埋砂岩块，并在相应距离处预留压裂管。在压裂管与沙岩块体之间设 钨丝格网，用来指示裂纹的扩展位置。将试块放在真三轴的力学环境中，环境压 力保持恒定，只在压裂管中加压，驱动裂纹的开裂及扩展。实验完成后，每一个 试块都被剖开观察裂缝的状态。压裂液用油，剖开试块后可以清楚地观察到液体 的渗透范围。试验得到了劈裂“压力一时间”曲线，并通过数值方法模拟试验的 结果，数值模拟与实验数据拟合很好。 c m k i m & h h a b a s s h 们于1 9 9 1 年对石膏长方体试件进行了三轴水力劈裂 试验。试件尺寸为1 5 0 1 5 0 2 5 0 m m ，水与石膏的重量比为0 3 2 ：1 ，试件在 5 5 条件下干燥7 天后进行试验。在第二、第三主应力平面内，与最小主应力成 不同角度布置五个方向的压水孑l ，研究主应力方向对劈裂方向的影响。试验完成 后，将试件切片，观察裂缝的发育状况。另外，试验控制注水流速设为4 0 c c m i n ， 研究裂缝的起始压力。试件内产生一条裂缝，且平行于钻孔轴向。试验还进行了 注水流速为6 0 c c m i n 的劈裂试验，研究裂缝扩展情况。文中给出了随偏转角的 变化各个试件内裂缝的起始压力和扩展压力的变化趋势图。 该研究最后得出以下三点结论： ( 1 ) 不同偏转角的注水孔产生相似的裂缝起始和扩展状态； ( 2 ) 高注射率同时产生多条裂缝，而低注射率可以避免产生多条裂缝； 第一章绪论 ( 3 ) 试件产生垂直于最小主应力方向的多条裂缝，大多数的小裂缝从注射 孔起始开裂，但不相交； 实验中采用倾斜钻孔的方法，在孔内加载水压力，就必然导致材料内部应力 状态方向的改变，所以很难精确研究单个应力改变对劈裂的影响，即应力边界条 件不明确。试验虽然得到了一些有意义的结论，但还不能上升到“定量”研究的 高度。 i t o h a y a s h i 于1 9 9 3 年以安山石为试验材料，试件采用 0 3 0 3 0 3 m 正方体岩块，在试件表面钻一童径为l o m m 的圆孔，以粘性稠油 为液体进行三轴水力劈裂试验。 试件在圆孔注入速率g 为常数，水平压力s ，s ：；垂直压力s ，在 s t s 2 s ，= i o m p a 条件下，得出裂纹重新开裂的临界孔压公式： 1 o = s 。一2 t z ( s l s 2j ( 1 2 ) 其中， r 一裂纹重开临界孔压， s 。，s l ，s ：一垂直、水平压力， f 一泊松比 通过室内三轴水力劈裂试验，还得出在流量恒定条件下，裂纹扩展过程中， 孔压与时间的关系： 一d p ：j 玎 (13)d t 曲：| d p 斗印 ” 式中， 屹= 2 厅广r w m ( r ) d r ( 卜3 a ) 器一8 0 g - , , ) r ”r ( a + 2 l ) 2 - r 2 d r ( 1 _ 3 b ) 其中， p 一孔压， f 一时间， q 一注入速率， k 一便士型裂纹丌裂新增体积， 卢一系数， v 一便士型裂纹初始体积， 。一便士型裂纹初始裂纹半径， 2 一裂纹新增长度， ”一裂纹开度， 一7 一 河海大学颤l 学位论文 g 一剪切模量，一泊松比。 该模型基于如下假设：裂隙内水的流速很小，以至于可以忽略裂隙面上的水 压力梯度。 p a t e r 等人( 1 9 9 3 ) h 2 1 对均质坚硬砂岩作三轴水力劈裂试验时观察到，试验 能够得到低渗透条件下放射状裂纹的稳定扩展。当改变注射速率g 和最小主应力 时得到以下结果：增加g ，裂纹的宽度相应增加，但是改变q 却没有明显的影 响。在低q 下，裂隙网络的水压力随吒的增加而增加，在高0 下却不会增加。这 一现象还值得作进一步研究。 到目前为止，虽然已经对水力劈裂作了一些试验( 土体研究居多) ，但对水 力劈裂中的影响因素及其相关关系的揭露仍十分不全面，一些现象的原因还尚未 研究清楚，有待于进一步的探索。 1 4 水力劈裂的数值模拟 对于水力劈裂的数值模拟是一个难题，国内外许多有关研究者都致力于数值 模拟的研究，并开发出了一些二维、三维的数值工具来模拟水力劈裂。 康奈尔大学综合f r a n s y s ( f r a c t u r ea n a l y s i ss y s t e m ) 和b e s ( b o u n d a r y e l e m e n ts y s t e m ) 两个程序开发了用于水力劈裂分析的三维程序h y f s y s ( h y d r a u l i cf r a c t u r i n gs y s t e m ) 。f r a n s y s ”副是一个模拟三维裂纹开裂的菜 单驱动、图形化分析软件。它采用拓扑数据结构，初始条件、边界条件、材料属 性等几何描述和模拟属性与拓扑属性相关联，裂缝的开裂要重新划分网格。 a x e lk l n ga n dj o h nc s m a l1 有限元法模拟了h y t t e j u v e t 大坝心墙泄 漏问题“。文中计算得出：当库水位达到危险值时，心墙某一部位孑l 隙水压力 升高，使得有效应力等于或小于零，则水力劈裂发生，坝体渗漏加剧。文中的劈 裂部位是通过采用预先设置在心墙上节理单元的方法来实现，与真实情况有一定 的差异。 b e s “”是一个单分析域、三维直接边界元方法。采用裂隙流与固体骨架耦 合的分析方法，但裂隙网络的变化要靠网格的重新划分，计算工作量较大，限制 了计算规模，不适合计算大型区域的水力劈裂问题。这也是有限元方法模拟裂纹 开裂问题面临的一大挑战。 近十多年发展起来的数值流形方法( n m m ) h 6 4 7 无单元方法( e l e m e n tf r e e m e t h o d ) h 8 、4 9 , 5 0 3 在分析水力劈裂问题方面具有相当的优势。研究开裂问题，如 果用有限元方法，结构开裂使得结构的连续状态发生改变，有限元计算只能重分 网格。而网格重分是十分繁琐和困难的。这就使得计算的工作量急剧增加。无单 元法的理论基础是滑动最小二乘法，所以使用无单元法进行结构计算不需要剖分 第一章绪论 单元，只需结点信息，具有很强的灵活性，计算结果也十分精确，并具有收敛速 度快等优点。使用无单元法进行结构开裂计算时，只需在裂纹尖端加密节点，随 裂纹扩展，加密的节点也随之移动，这样就大大减少了计算的工作量。但是在模 拟多条裂纹的扩展和相互作用的问题中( 特别是在三维空间问题) 目前还没有很 好的解决办法，由于无单元法计算中系数矩阵带宽比较大，致使计算量也相当大。 1 5 本文研究的内容 综上所述，水力劈裂的研究在影响因素、破坏条件等各方面都取得了较大的 进展，国内外学者通过理论分析及各种试验，并将两者有机的结合起来，使人们 对试件水力劈裂破坏机理的研究与认识也越来越深刻，取得了大量的成果；但是， 以往的大量水力劈裂研究基于土体较多，岩体水力劈裂研究较少。 本文主要研究内容是利用由河海大学渗流实验室设计开发，成都司服液压设 备有限公司制造的“超高压( 多路控制) 大流量渗透仪及渗流应力耦合系统”对 试件进行三轴应力水力劈裂试验。试件为空心厚壁圆柱体，尺寸为：外直径 l o o m m ，内直径都为l o m m ，高2 0 0 m m 。由于条件限制，试件采用水泥砂浆材 料代替岩石作为相似材料。 本文主要探讨以下几个方面的问题 1 、试件在无围压条件下的水力劈裂试验研究。将试件轴向固定，在没有围 压条件下，逐渐增加内孔水压最终导致试件破坏，记录试验的加压过程 及发生水力劈裂的临界水压，进行结果分析。 2 、试件在有围压条件下的水力劈裂试验研究。在围压为一常数的条件下逐 渐增加内孔水压，最终导致试件发生劈裂破坏。记录试验的加压过程及 发生水力劈裂的临界水压，比较在各种不同的围压条件下，试件劈裂裂 缝发展方式有何不同，及临界水力劈裂压力值和内外压差有何相关性。 3 、应用无单元法对试件在无围压条件下试件劈裂破坏进行模拟。无单元法 是近些年发展起来的一种新的数值计算方法，它采用滑动最小二乘法所 产生的光滑函数来近似场函数，所以，计算中只需节点信息，而无需进 行剖分单元。本文将具体介绍无单元法的发展现状、应用范围，对无单 元法基本原理进行介绍，采用断裂力学对试件进行分析，并以断裂力学 9 一 河海大学硕l 学位论文 为理论基础，采用无单元法对试件在无围压条件下的破坏进行计算模拟 并对结果进行整理分析。 4 、最后总结本文尚未解决的问题，并提出展望。 第一学 试验改需简介及试件的薪冒，j 参数测定 第二章试验设备简介及试件的备置与参数测定 2 1 试验仪器的简介 2 11 简要说明 本试验所采用的试验仪器是由河海大学渗流实验室和成都伺服液压设备有 限公司共同研制、设计和开发的“超高压( 多路控制) 大流量渗透仪及渗流应力 耦合系统”。 该系统是一高精度、稳定的油压控制器，是一将油压通过油水转换器传递给 渗透水压及其他压力的试验装置。 整个系统是由液压稳定控制系统，油水转换控制系统，试验系统，计算机， 油泵等设备组成，系统分为超高压( 多路控制) 大流量渗透仪和渗流一应力耦合 系统两个部分。本试验所采用的是渗流一应力耦合系统。 212 渗流应力耦合系统的组成 渗流应力耦合系统由压力源( 与超高压大流量渗透仪共用一个压力源) ，液 压稳定控制系统，油水转换控制系统，试验系统，计算机控制系统组成。 渗流一应力耦合系统结构如下： 一网 医到 图2 1渗流一应力耦合系统结构图 渗流应力耦合系统如下： 图2 2 渗流一应力耦合系统照片 河海人学f 蝴j ! 学位论义 液压稳定控制系统是用柬控制和调节轴压、围压、孔压出力的大小，具有控 制精度高，传动快等特点。 液压稳定控制系统如下图 图2 3 液压稳定控制系统照片 油水转换控制台将油压转换成水压，并分别以轴压、围压、i l 压三条管路将 水压传到试验系统。 油水转换控制系统如下图 图2 4 油水转换控制系统照片 试验系统是试件进行试验的平台。它是由四柱承力架、压力宣底座、压力室 上下传力板、传力柱、荷重传感器，液压千斤顶等组成。其中，四柱承力架由上二 梁，中梁，下粱，四根立柱组成；压力室由底座，上下透水板，渗压管路，压力 第一章 试验改需简介技试佴：的需冒ij 参数测定 室筒等组成。试件安装固定好以后，放入压力室进行试验。 水力劈裂试验系统如下图： 图2 5 水力劈裂试验系统照片 图2 6 水力劈裂试验系统结构图 河海大学硕士学位论文 计算机控制系统由计算机控制软件、控制硬件、计算机主机等组成。可以通 过计算机控制系统来改变轴压、围压、孔压的大小。计算机控制系统并可以自动 记录下整个试验的施压过程。 2 1 3 渗流应力耦合系统的特点 1 、操作方面，配置有互不干扰的手动加压控制和计算机自动加压控制，可 以采用手动控制或计算机控制进行加压，轴压，围压，孔压均可实现精确的加压、 卸压和保压的功能( 保压时间不小于7 2 小时) 。 2 、计算机控制系统能精确的记录下以两秒为时间单位，各时段对试件所施 加的轴压、孑l 压与围压大小。 2 1 4 渗流应力耦合系统技术指标 1 、轴向液压千斤顶最大荷载6 0 0 k n ，有效行程2 0 0 m m ( 轴向应力 2 、围压口、i o m p a ； 3 、孔压p i o m p 口 4 、压力传感器量程6 0 0 k n ，精度o 5 f s ： 5 、位移传感器行程2 0 m m ，精度o 1 ； 6 、压力变送器量程1 0 m p a ，精度o 2 5 ； 7 、试件直径d = 7 5 m m 、d = 1 0 0 m m 、d = 1 2 0 m m ： 8 、四柱承力架的总变形a l = 0 5 8 r a m ： 9 、上粱、中梁、底座的半行厦误差丰0 0 5 m m ： 1 0 、压力传感器与压力室的同轴度误差牛0 1 0 r a m ： 1 1 、四柱承力架的商量地面至中梁上平面距离7 3 4 m m 1 2 、计算机系统控制精度：1 。 22 试件的备置、安装及测试 笙二至堡堕坠鱼塑尘丝苎生塑墨堡! ! 兰垫! 墨_ ! 垦 2 2 1 试件的备制 由于岩石材料成本高，制成规定形状试件比较困难等条件限制，本试验选用 水泥砂浆代替岩石作为相似材料进行试验。 选用水泥砂浆材料试验具有以下优点： l 、水泥砂浆材料力学性质与模拟的岩石材料单向抗压与抗拉强度相似。 2 、水泥砂浆材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响。 3 、水泥砂浆材料可以改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条 件的需要。 4 、制作方便，凝固时间短。 5 、成本低，来源丰富。 本试验研究所采用的试件为空心厚壁圆柱体试件，尺寸为：外直径l o o m m ， 内直径1 0 m m ，高2 0 0 m m 。 水泥砂浆材料的选取，水泥采用标号为4 2 5 号的普通硅酸盐水泥；砂子采用 粒径小于2 o m m 的细砂。材料的配比为：水泥：砂浆：水= 1 ：4 9 3 ：0 9 。三种 材料进行混合，均匀搅拌。 试件制备的模具是铝锭制成的双片对开铝瓦组成的圆筒，一端封盖，中心插 入一直径为l o m m 的铝棒。用机油涂抹圆筒内壁和铝棒，然后将水泥砂浆倒入模 具中进行层层振捣，使水泥砂浆密实、均匀，将其中多余的气泡排出。将试件静 置2 4 小时后，进行拆模，拔出铝棒，将试件放入养护室中养护2 8 天后，取出进 行试验。 模具、试件如下两图 图2 7 试件模具照片 222 试件的安装 图2 8 水力劈裂试件照片 水力劈裂试件安装步骤： 1 、首先在试件边壁卜横、竖方向对称各贴两个应变片，用以测试试件的应 变，取为1 、2 号应变片。应变片上用硅胶柬封盖，防止试验中水渗入应变片。 2 、将下盖片放于底板中央，试件放在下盖片上，在试件外表面套上一层橡 皮膜，用以防漏。为了防【l _ = 橡皮膜在圈压作用下破裂，在试件与橡皮膜之阳j 加一 屡工布。橡皮膜一直延伸至上、下盖片，以便橡皮膜与盖片用橡皮圈套紧用于 防漏。 3 、试件上表面涂抹一层橡皮泥，防止试件上表面渗漏。橡皮泥不能太厚， 以免试验中堵塞试件内孔。 4 、将试件放置好，盖上盖片，连接孔压进水管，然后将压力筒罩上，拧紧 f i 力室与底板的螺丝，防止漏水。在拧紧螺丝时一定要注意各螺丝的上力均匀。 压力室上端放好传力柱，将j ：匿力室推到试验台中央固定位置处，试件安装完毕。 试件如下图： 立视图俯觅图 图2 9 水力劈裂试件示意图 诧一常 试验吐斋简介，互试件的斋旨，j 参数测定 试件安装后如图 图2 1 0 水力劈裂试件安装后示意图 贴好应变片试件照片如下： 图2 1 1 贴好应变片的试件照片 2 2 3 试验数据的测取方法 1 、各个压力值( 孔压、围压和轴压) 的读取即可在计算机操作程序中自动 记录，也可从数据显示表卜读取。汁算机记录的吾压力值是随时削变化 阿海大学硕l 学位论史 的一组连续值，可以设定采样恻隔，离散采样。 2 、轴向位移由设备本身的位移传感器测定，在计算机操作程序中自动记录 也是随时间变化的一组连续值，可以设定采样间隔，离散采样。 3 、试件竖向、圆周方向的应变，用贴应变片的方法，由应变仪读取。 2 3 试件力学系数的测定 为了研究水力劈裂破坏的机理，首先要测试试件的力学性质，分别对试件的 抗拉、抗压强度，泊松比，弹性模量的参数进行测试。 取标号为4 2 5 的普通硅酸盐水泥，砂子为粒径小于2 0 m m 的细砂。水泥， 砂子，水的比例为l ：4 9 3 ：i 1 6 ，即水泥：砂子：水= i ：4 9 3 ：1 1 6 。进行混 合，搅拌均匀后，浇模成形，放入养护室养护n 5 天后，取出进行泊松比，弹性 模量，抗压强度，抗拉强度的试验。 试验根据建筑砂浆基本性能试验方法j g j t o - 9 0 ，委托河海大学建筑材料 实验室进行试验，结果如下： 试验按照建筑砂浆基本性能试验方法j g j 7 0 9 0 进行，砂浆的弹性模量e 、 泊松比、抗压强度r ( 1 和抗拉强度r r 结果如下： 表2 1水泥砂浆力学试验结果表 |试件号泊松比弹模( x 1 0 钿p a ) r m p ar t m p a 1o 2 2 1 1 7 5 01 1 5 1 0 31 1 0 20 2 4 51 8 4 91 2 62 2 21 1 7 9 30 2 3 31 8 7 01 4 01 9 40 9 4 均值0 2 3 31 8 2 31 2 71 1 7 第三章水泥砂浆水力劈裂试验研究 第三章水泥砂浆水力劈裂试验研究 3 1 试验的设计及劈裂判别方法 3 11 试验的设计 将配置好，搅拌均匀的水泥砂浆放入模具中层层振捣，使水泥砂浆密实、均 匀，并将其中多余的气泡排出。试件静置1 2 小时后，进行拆模，拔出铝棒，再 将试件放入养护室内养护2 8 天后，一取出试件，进行试验。 试验分为两种条件( 围压：试件外壁的水压；孔压：试件内孔壁的水压) ： 第一，无围压的水力劈裂试验。围压p o 取零，不断增大孔压p ，直至孔压 突然大幅下降，试件发生水力劈裂破坏，停止试验。记录试验的整个施压过程及 发生水力劈裂时的临界内孔水压力值“。 第二，有围压的水力劈裂试验。围压与孔压同时增大，当围压p 。达到预定 值后固定不变，然后不断增大孔压p ，直至孔压突然大幅下降，试件发生水力劈 裂破坏，停止试验。记录试验的整个施压过程及发生水力劈裂时的临界内孔水压 力值。 分析试验所记录下的数据，统计出试件产生劈裂时孔压与围压的关系；根据 试验数据分别对无围压、“有围压条件下试件产生水力劈裂的机理进行分析，比较 两种条件下试件破坏有何不同：分析试件产生水力劈裂与土体空心圆筒试件产生 水力劈裂在发生条件及现象有何不同：最后对上述分析进行小结。 3 1 2 试件发生水力劈裂的判别方法 试验中，试件发生水力劈裂破坏的判断方法为： 在轴压固定，围压取一常量不变的情况下，不断加大孔压p ，当孔压上升到 临界值，发生水力劈裂时，孔压将会突然下降到接近于围压或略低于围压，继续 增加孔压p ，孔压将基本保持与围压同样的大小进行升降( 由围压肌= 0 m p a 、 p o = 2 m p a 、凡= 6 m p a 的试验过程图均可观察出) 。另外，试件劈裂时，有沉闷破 裂声，压力室排水孔有大量的水涌出。上述现象说明，试件已经产生了劈裂裂缝， 并且裂缝贯穿边壁，形成内外连通的裂缝通道，使内外压差接近于零。 3 1 3 列举加压过程线及劈裂阶段的数值判别 以下列举了当围压分别为：p o = 0 m p a 、p o = 2 m p a 、p o = 6 m p a 时，试验孔压、 围压加压过程图，如下