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粘性土水力劈裂全过程数值模拟及影响因素研究

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第一章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 土体中水力劈裂问题研究综述

1.2.1“水力劈裂”一词的涵义

1.2.2 水力劈裂的试验研究

1.2.3 水力劈裂的理论研究

1.2.4 水力劈裂的数值模拟研究

1.2.5 水力劈裂影响因素研究

1.3 有待研究的问题

1.4 本文研究的主要内容和技术路线

第二章 粘性土水力劈裂试验及轴向压裂试验研究

2.1 引言

2.2 粘性土水力劈裂试验

2.2.1 试验目的和思路

2.2.2 水力劈裂试验装置

2.2.3 试样制备及试验步骤

2.2.4 试验结果整理分析

2.3 粘性土轴向压裂试验

2.3.1 试验目的和方法

2.3.2 试样制备及试验步骤

2.3.3 试验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 粘性土水力劈裂全过程数值模似分析

3.1 引言

3.2 数值模拟方法

3.2.1 数值模拟方法基本原理

3.2.2 程序简介

3.2.3 水力劈裂判别及程序修改

3.3 粘性土水力劈裂有限元模似分析

3.3.1 开孔试样水力劈裂破坏过程数值模拟分析

3.3.2 开孔试样试验与数值拟结果比较

3.3.3 开缝试样水力劈裂破坏过程数值模拟分析

3.3.4 多孔试样水力劈裂数值模拟

3.4 本章小结

第四章 粘性土心墙水力劈裂影响因素研究

4.1 引言

4.2 研究方法

4.3 心墙料性质的影响

4.3.1 泊松比的影响

4.3.2 弹性模量的影响

4.3.3 心墙密度的影响

4.4 加载速率的影响

4.5 裂缝长度的影响

4.6 裂缝位置的影响

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 存在的问题及建议

参考文献

附录个人简历

致谢

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摘要

土质心墙坝的水力劈裂问题一直是工程界普遍关注又亟待解决的关键问题。由于水力劈裂问题的复杂性,整个水力劈裂的过程还很不清楚,至今还未见有完全模拟出水力劈裂全过程的相关报道。本文在总结和评述前人研究成果的基础上,开展了粘性土水力劈裂试验和轴向压裂试验,按照Seed和Duncan提出的判别准则,运用修改后的RPFA程序对粘性土试样水力劈裂发生、发展过程进行有限元数值模拟分析,同时还针对水力劈裂影响因素进行了研究。本文得到的结论主要有: (1)水力劈裂试验结果表明,水力劈裂破坏后形成的劈裂面是受小主应力控制,劈裂压力随着小主应力的增加而变大,开孔孔径愈大则试样愈容易发生水力劈裂破坏。 (2)粘性土轴向压裂试验揭示土体的抗拉强度与含水率关系紧密,在干密度一定的前提下,抗拉强度随含水率的增加达到峰值,随着含水率的进一步增加,抗拉强度逐渐减小;在相同的制样含水率下,土体抗拉强度随着试样干密度的增加而变大。 (3)开孔试样水力劈裂包括应力累积和瞬间破坏阶段,模拟结果显示水力劈裂破坏是一个瞬间的过程,因而通过现有手段很难捕捉。通过对开孔试样数值模拟结果和试验值进行的比较说明,基于RFPA的水力劈裂理论作为在水力劈裂破坏过程研究中的初步探索有着较好的可行性。 (4)开缝试样水力劈裂过程包括三个阶段即应力累积阶段、逐步扩展阶段和瞬间破坏阶段,开缝试样的模拟结果进一步说明水力劈裂破坏是一个瞬时过程;对多孔水力劈裂问题的模拟发现非对称的孔隙水压力场对于裂缝发展方向有着一定的影响,因而可以利用其影响裂缝走向。 (5)通过对心墙水力劈裂影响因素的分析和研究,得到下述结论:劈裂破坏压力随心墙泊松比的增加而变大;增大心墙的弹性模量,可以适当提高心墙的抗水力劈裂能力;心墙密度越小,发生水力劈裂的可能性越大;加载速率愈快,预设裂缝越长,心墙愈容易发生水力劈裂破坏;心墙中上部发生水力劈裂的可能性大于心墙下部。

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