岩石水力劈裂有限元模拟

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1、4J0以科学发展观促进科技剖新(上)5徐兴永．石学法，于洪军，李萍崂山顶、涧、沟、坡、麓、滩、岬一带巨砾成因研究[J]．海洋科学，2004，28(6)：10～136赵松龄，张宏才北京西山灵岳寺古冰川沉积物的初步研究中国更新世冰川与更新世地质论文集(一)．北京：地质出版社，1979．69～727施雅风，崔之久，牵吉均等．中国东部更新世冰Jll与环境问题、北京：科学出版社，19898朱诚等．华东山地更新世沉积环境研究南京：南京大学出版社，2000，1～3549李乃胜，石学法，赵松龄，于洪军崂山地质与古冰川研究．2003，北京：海洋出版社10徐馨，沈志迭．对长江中下游更新世

2、冰川发育的新认识．贵州师范大学学报(自然科学版)，1999(1)：1～6作者简介徐兴永，国家海洋局第一海洋研究所博士后。电话：0532—88961063(办)；E—mailxuxingyong@ms．qdio．ac．cn，xuxingyong@mail．rio．gov．cn。岩石水力劈裂有限元模拟①谢兴华张瑞凯江苏省南京市广州路223号，南京水利科学研究院，210029摘要本文将细观的观点引入岩石工程问题的力学模拟。在应力集中的局部单元引八断裂力学的应力强度因子判据判断是否达到开裂条件。若是已经开裂，根据能量释放率最大的方向就是裂纹开裂方向的结论．确定裂纹的扩展方向。

3、已经达到开裂条件的单元．做开裂标记，认为单元位置成为裂隙，已经失去抗拉、剪的能力。随着新裂隙的产生，材料的渗透性套发生变化。渗透系数的变化与村料变形有关，损伤变量描述材料变形对力学性质的损伤。本文以损伤变量作为桥梁，在材料变形与渗透性变化之间建立联系，作为渗流应力耦合的纽带。最后文章通过算倒模拟在水压力驻动下的裂纹扩展过程，验证了本文模型的正确性。关键词岩土工程水力劈裂损伤裂纹扩展水力劈裂问题的数值模拟，需要解决这样几个问题：水的作用方式、开裂的起始点、裂缝的扩展以及水的渗透与裂缝开裂的耦合关系。关于水的作用方式，在渗流应力耦合的文献中，多为基于拟连续介质假设下，作为

4、体力在应力场中叠加，相当于孔隙压力的作用。实际上，水对岩体的作用不仅仅是孔隙压力的作用，还有面力作用和渗透力(水头梯度)的作用。面力可以作为力学计算的载荷，渗透力(水头梯度)作用在数值分析时的处理还未见到相关的报道。开裂的起始点问题。岩体是非均质体，在力的作用下，裂纹首先从弱点开始起裂。如何在拟连续假设之下模拟这种非均质性是一个困难的问题。文引入概率分布的方法来描述岩石的非均匀性。认为岩石内部各点的力学性质(比如弹模)是随机变量，在统计概念之下服从一定的分布(比如Weib。11分布)，并且在此基础上开发了计算程序RFPA”，计算结果接近试样破坏状态。①本文受到南京水利

5、科学研究院青年科学基金资助(Y10402)。以科学发展观促进科技创新(二)411许多研究者曾经开发过一些二维、假三维或全三维的数值工具用来模拟水力劈裂。康奈尔大学综合FRANSYS(FractureAnalysisSystem)和BES(BoundaryElementSyslem)两个程序开发了用于水力劈裂分析的三维程序HYFSYS(HydraulicFracturingSystem)。FRANSYS是一个模拟三维裂纹开裂的菜单驱动的、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。BES

6、是一个单分析域(Singledomain)、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，裂隙网络的变化要靠网格的重新划分，这样计算工作量很大，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。非连续变形(DDA)数值方法模拟裂纹开裂有一定优势。近十多年发展起来的数值流彤方法、无单元方法(ElementFreeMethod)分析水力劈裂问题也具有相当的优势。研究开裂问题，如果用有限元方法，需要在迭代计算过程中重新划分网格，使得计算量急剧增加。另外一种方法就是基于连续介质，引入损伤理论研究水力劈裂问题。用损伤变量

7、描述岩石固体的内部损伤，这样就避免了模拟岩石的开裂。在这方面，J．F．Shao做了一些有意义的工作。基于Biot固结理论用有限元法模拟Hyttejuvet大坝心墙渗漏问题。文中计算得出：当库水位达到危险值时，心墙某一部位孔隙水压力升高，使得有效应力为零或小于零，则水力劈裂发生，坝体渗漏加剧。文中的劈裂部位是用预先在心墙上设置节理单元的方法来实现，与真实情况有差别。本文基于稳定渗流应力耦合的基本原理，引入损伤变量描述岩体的内部结构演变。在损伤变量和渗透系数之间建立关系，使得渗透系数随岩体结构演化，交叉叠代，进行岩体水力劈裂计算。一、岩石破坏的拉、剪竞争