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三、岩体渗流荷载分析2.非连续介质渗流在岩体中发育的不同成因类型,不同规模,不同方向,不同力学性质的裂隙个体相互交错配置所构成的网格状系统,称之为裂隙网络。1)单条裂隙中的渗流假定每一条裂隙中的渗流为层流,光滑裂隙的宽度为b,由流体运动的Navier-Stokes方程,可以推导出单裂隙的渗流公式即布西涅斯基定律:第五章岩体应力与围岩应力分布三、岩体渗流荷载分析2.非连续介质渗流2)二维裂隙网络中的渗流在裂隙网络中,对任一节点i,取包含i节点并通过各裂隙段的中部作一闭合曲线,从而构成i节点的控制单元体(REV)i。设某时刻通过各裂隙段流进流出控制单元体(REV)i的流量为qj,(REV)i内各裂隙段上的其它补排量为?wj,在i节点上作用的源汇量为Qi。根据质量守恒原理,单位时间内,流进流出控制单元体的流体质量代数和与(REV)i内各裂隙段的流体质量改变量之和相等,则有第五章岩体应力与围岩应力分布三、岩体渗流荷载分析2.非连续介质渗流2)二维裂隙网络中的渗流代入单裂隙的流量公式得到二维裂隙网络渗流的数值模型即图论模型第五章岩体应力与围岩应力分布三、岩体渗流荷载分析2.非连续介质渗流3)三维裂隙网络中的渗流岩体中的各种结构面可划分为三大类型断层类结构裂缝类结构孔洞类结构第五章岩体应力与围岩应力分布F2f2.非连续介质渗流3)三维裂隙网络中的渗流三种结构类型所对应的渗流形态:断层类带状三维渗流裂缝类面状二维渗流孔洞类管状一维渗流按质量守恒原理,建立均衡方程,经推导,得到三维裂隙网络渗流数值模型,即三结构模型:式中,H为节点水头列向量,T为总体传导矩阵,E为裂隙释水系数矩阵,Q为补给和排泄列向量三、岩体渗流荷载分析第五章岩体应力与围岩应力分布三、岩体渗流荷载分析3.等效连续介质渗流把裂隙岩体视为等效连续介质(如同土体一样):水位等效、流量等效。从微观到宏观的概化,用等效渗透系数来反映裂隙的渗透性。第五章岩体应力与围岩应力分布3.等效连续介质渗流Δt时间内,流入与流出这个单元体的总质量差为均衡单元体内,液体所占的体积为,其中n为孔隙度。相应的单元体内的液体质量为,所以在时间内,单元体内液体质量的变化量为均衡单元体内液体质量的变化即贮存质量的变化,是由流入与流出这个单元体的液体质量差造成的。在连续流条件下(渗流区充满液体等),根据质量守恒定律,两者应该相等。经进一步推导得到:等效连续介质渗流微分方程:三、岩体渗流荷载分析第五章岩体应力与围岩应力分布三、岩体渗流荷载分析3.等效连续介质渗流设置边界条件:H=H0,(已知水头边界) ,(已知补、排量边界)对上述是解问题求解可得岩体中渗流场分布。一般只能用数值解法。通过上述的求解,得到岩体内各点的水头值H对应各点的水压力P=γ(H-z)将此压力叠加到岩体地应力场中。第五章岩体应力与围岩应力分布四、围岩应力分析地下洞室的开挖,会产生应力重分布,局部可能会出现压应力集中、或拉应力,从而会造成洞室的变形、塌方、破碎甚至岩爆等。第五章岩体应力与围岩应力分布围岩应力①应力重分布:地下洞室开挖后,使岩体中原来的应力发生改变,把应力的这种变化称为应力重分布。②围岩:把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩。③围岩应力:围岩内的应力叫围岩应力。第五章岩体应力与围岩应力分布四、围岩应力分析第五章岩体应力与围岩应力分布四、围岩应力分析围岩应力不仅与天然应力场有关,而且还与洞室的开挖有关。下面讨论洞室开挖后,围岩应力的变化和分布特征。在地下某深度H,开挖一洞室。基本假定:①岩体均质,各向同性,连续体。②无构造应力作用,仅由自重应力形成天然应力场,其大小为取K0=0,1/3,1,三种情况下的应力场③忽略洞室高度上的应力场变化,即认为洞顶和洞底处的天然应力相同,则有H为洞中心的深度④为平面应力问题第五章岩体应力与围岩应力分布四、围岩应力分析1.圆形洞室洞室开挖前的天然应力为围岩中的径向应力,切向应力
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