基于无单元法的混凝土结构水力劈裂数值分析模型

混凝土高坝、深埋隧洞结构等常年在高水压作用下运行,易发生水力劈裂破坏.本文基于无单元法提出了缝内水压力的计算方法和水力劈裂裂缝扩展判据公式,考虑缝内水流与结构变形的耦合效应,建立了一种适用于混凝土结构水力劈裂分析的数值模型.通过楔形劈裂试验算例和重力坝实例进行模型验证.结果表明,缝内水压变化及裂缝扩展规律与试验结果基本一致;考虑流固耦合作用混凝土重力坝极限承载能力受初始裂缝深度影响显著,当初始裂缝深度小于0.6m时,坝体极限承载荷载呈幂指数下降,当初始裂缝深度大于0.6m时,坝体的极限承载能力降低速率减缓.模型计算结果符合一般规律,说明该数值分析模型是合理的.     

弯应力作用下混凝土结构水力劈裂试验研究

混凝土重力坝坝踵在运行期间易出现拉应力,是坝体的薄弱区域。为研究该区域的水力劈裂问题,采用四点弯曲弯矩+高水压的联合施载方式,模拟混凝土重力坝坝踵受拉状态下的水力劈裂破坏过程。基于不同弯矩与水压值组合,研究坝踵因施工应力出现初始裂缝情况下的水力劈裂问题。结果表明,裂缝发展过程中,混凝土试件的应变可分为线性段及指数段,当应变进入指数段时,试样临近破坏;较小的荷载增量即会打破稳态,促使裂缝失稳扩展;劈裂水压与拉应力存在叠加效应,若最值作用位置相同,裂缝尖端应力集中现象明显,易引起水力劈裂破坏,若作用位置不同,则受拉截面应变分布较均匀,较大限度地发挥了混凝土受拉截面的抗劈拉能力,减弱了水力劈裂作用。     

双轴压缩状态下岩体水力劈裂试验研究

针对水利工程中的岩体水力劈裂问题,采用自制水密封装置和水压加载系统,以水泥砂浆作为类岩石材料,基于不同轴压组合,开展双轴压缩状态下的岩体水力劈裂试验,研究了不同轴向压力对水力劈裂发展过程的影响.试验结果表明:双轴压缩状态下岩体顺缝向轴压可放大高压水流劈裂破坏能力,顺缝向轴压与临界劈裂水压呈负相关关系;垂缝向轴压可较强抑制裂缝扩展,垂缝向轴压与临界劈裂水压呈正相关关系;双轴压缩状态下,加载水压历时曲线呈M形,水力劈裂破坏具有非瞬时性;水力劈裂发展过程可分为弹性变形、缝端损伤区发展、劈裂破坏、持续变形开裂和完全破坏等5个阶段.     

页岩气储层水力裂缝转向扩展机制

从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸。分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算。结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄;压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大;水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向;水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄;裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小;水力裂缝转向能扩展为2~3种裂缝模式的复合。     

混凝土水力劈裂时裂缝扩展与缝中水压力变化试验研究

对原混凝土水力劈裂试验的密封装置进行了改进,为避免水压力较大时硅胶板变形过大,用硅胶套替代原来的硅胶板,并用夹子固定在混凝土试件上.同时为了追踪水力劈裂过程中裂缝尖端开裂位置的变化,在混凝土预留缝端部布置了一排防水应变片.通过4个扩散硅传感器和5个防水应变片同步实时量测试验过程中混凝土水力劈裂过程中的缝面水压力分布和应变变化,并将测得的缝面水压分布和扩展裂缝尖端位置进行比较.结果表明:水力劈裂试验中,随着外水压的增加,裂尖稳定扩展速度明显增大,且裂缝失稳荷载下降.裂缝内水压力随着裂缝张开而降低.起裂时缝内水前端滞后裂缝尖端10mm,失稳时,缝内水前端滞后裂缝尖端40mm.     

水力压裂裂缝在页岩表面扩展特征的试验研究

为探究水力裂缝在页岩表面起裂及扩展特征,以四川省龙马溪组露头页岩为研究对象,开展岩体表面裂缝起裂扩展数字散斑观测试验,通过分析水力压裂裂缝扩展时页岩表面位移场和应变场演化揭示了岩体表面裂缝的动态扩展特征.试验结果表明:水力裂缝沿最大主应力方向起裂和扩展,裂缝走向与最大主应力呈锐角;裂缝扩展速度约为0.65 m/s,具有高速性特点,不同水力裂缝起裂扩展在时间上有先后性.扩展裂缝两侧会形成非对称分布的半椭圆状位移变化区域,影响范围是缝宽的32倍;裂缝扩展区域呈现为应变梯度值较大的拉应变.裂缝扩展只对裂缝周边有限范围内岩体起影响作用.     

一种用于水力裂缝扩展数值计算的材料断裂能反演方法与应用

为研究预置裂纹对水力裂缝扩展行为的影响，利用基于扩展有限元法的虚拟裂纹闭合技术计算能量释放率，借鉴PFC参数标定的思想，提出一种依据水压与裂尖能量释放率的关系反演材料断裂能的方法.将此方法计算出的断裂能作为材料参数，得到的起裂水压模拟值，与相关文献及水力压裂试验值对比，误差均不超过7%,证明了方法的可靠性.在此基础上研究水压注入预置裂纹时水力裂缝的力学行为，采用最大能量释放率准则，分析了围压应力和预置裂纹初始倾角对水力裂纹起裂与扩展的影响.结果表明，对于类岩石内斜裂纹，在水压作用下发生拉剪破坏，水力裂纹朝向裂纹前端拉应力等值线距离裂纹尖端最近的方向进行扩展，该方向径向切应力为0;相比于地应力，预置裂纹倾角对水力裂纹起裂水压力的影响较大，因此应主要通过改变注射角或者选择45°～60°的天然弱面进行压裂，从而降低工程成本.     

土质心墙坝水力劈裂试验研究进展

综述了国内外关于土质心墙水力劈裂问题的典型试验及其研究成果,并进行了相应的分析和讨论.研究表明:试验研究在土质心墙水力劈裂研究方面具有不可替代的作用;许多研究者根据试验结果提出了土质心墙水力劈裂破坏的力学机理和相应的水力劈裂发生判断准则,但尚无一套有效的试验方法、手段能够对土质心墙水力劈裂的发生条件和破坏过程进行模拟;将土工离心模型试验技术应用于初次蓄水土质心墙坝的水力劈裂问题研究是可行的;可采用平面模型离心试验模拟坝体水力劈裂破坏断面,验证土质心墙水力劈裂的张拉破坏机理的合理性及其综合判断准则的有效性;心墙内外水压力的分布与变化,应力拱效应,以及应力诱导各向异性是土质心墙水力劈裂试验研究的主要内容,试验中应重点关注库水位上升过程中心墙上游面中上部的应力状态.研究结论也为今后的土质心墙水力劈裂问题的试验研究提供了有益的方向.     

双孔劈裂条件下地应力及孔间应力的耦合分析

针对注浆过程中的裂纹扩展问题,通过理论分析和数值模拟,研究了地应力与孔间应力耦合作用下劈裂注浆的作用机理.研究结果表明:单孔劈裂主要受地应力影响,钻孔沿着最大主应力方向或垂直于最小主应力方向扩展.双孔劈裂受到地应力与孔间应力扰动的耦合作用,相当于力矩合成定理,使钻孔沿其合力方向扩展(孔距较大时相当于两个单孔劈裂);其劈裂破坏过程可分为应力积累、裂纹稳定扩展、失稳破坏三个阶段,双孔间观测点处的最大主应力和孔隙水压力会随着计算步数的增加分别对应形成应力跌落区和能量累积区;钻孔间距较小时初始起裂压力的变化不明显,而间距较大时初始起裂压力随侧压力系数的增加而增加.     

基于扩展有限元的混凝土重力坝水力劈裂分析

利用扩展有限单元法在求解不连续问题上的独有优势,在裂纹面以水压力方式模拟水力劈裂荷载,以解决裂纹扩展时涉及裂纹面非线性和移动边界问题.针对某待建混凝土重力坝,通过ABAQUS软件建立黏聚力裂纹扩展模型模拟水力劈裂,采用上游超载静水压力模拟高水压作用,研究不同裂纹长度、角度及裂纹面水压力对裂纹扩展的影响.结果表明:在相同...