岩体水力劈裂试验及裂纹扩展的无单元法计算
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摘要
岩体水力劈裂问题是裂隙岩体渗流—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界学者的关注。
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—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。
The hydraulic fracturing of rock mass is one embranchment of the fissured rock mass seepage-stress coupling research. Up to now study on this problem is just in its initial stage, lots of basic theoretical problems should be researched more deeply.
Along with the development of society, lots of heavy constructions is developing to the underground, underground engineering can't separate with the force of groundwater, all of these promote the development of hydraulic fracturing research..
Hydraulic fracturing is firstly applied to increase the output of oil well as a technique, and then is applied to test the preliminary ground stress. Along with construction of hydropower project, exploitation of ore, deposition of nuclear waste, development of terrestrial heat and so on, more and more geotechnical engineering is in the high hydraulic head, and deep embedded geohydrological condition, the hydraulic fracturing of rock mass is paid more and more attentions by engineering scholars.
In this thesis, hydraulic fracture test basic research and calculating method was developed by support of the key project of National Natural Science Fund. Firstly the present situation of hydraulic fracturing of rock mass was talked about, then, the hydraulic fracturing of rock mass test was carried out with cement mortar (analogue material of rock mass) thick tube hollow cylinder through seepage-stress coupling apparatus that was developed by the laboratory of seepage control in Hohai. Through the analysis of data, the thesis discussed the mechanism of the hydraulic fracturing of rock mass. This thesis introduced the basic theory of element-free method, and how to trace the crack propagation of rock mass, then simulated the crack propagation of test sample without outside hydraulic pressure, and compared the calculated result with the fact status.
At last, the thesis summed up the unsolved questions, and pointed out the expectations.
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界学者的关注。
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—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。
The hydraulic fracturing of rock mass is one embranchment of the fissured rock mass seepage-stress coupling research. Up to now study on this problem is just in its initial stage, lots of basic theoretical problems should be researched more deeply.
Along with the development of society, lots of heavy constructions is developing to the underground, underground engineering can't separate with the force of groundwater, all of these promote the development of hydraulic fracturing research..
Hydraulic fracturing is firstly applied to increase the output of oil well as a technique, and then is applied to test the preliminary ground stress. Along with construction of hydropower project, exploitation of ore, deposition of nuclear waste, development of terrestrial heat and so on, more and more geotechnical engineering is in the high hydraulic head, and deep embedded geohydrological condition, the hydraulic fracturing of rock mass is paid more and more attentions by engineering scholars.
In this thesis, hydraulic fracture test basic research and calculating method was developed by support of the key project of National Natural Science Fund. Firstly the present situation of hydraulic fracturing of rock mass was talked about, then, the hydraulic fracturing of rock mass test was carried out with cement mortar (analogue material of rock mass) thick tube hollow cylinder through seepage-stress coupling apparatus that was developed by the laboratory of seepage control in Hohai. Through the analysis of data, the thesis discussed the mechanism of the hydraulic fracturing of rock mass. This thesis introduced the basic theory of element-free method, and how to trace the crack propagation of rock mass, then simulated the crack propagation of test sample without outside hydraulic pressure, and compared the calculated result with the fact status.
At last, the thesis summed up the unsolved questions, and pointed out the expectations.
引文
1
1、王晓鸿、许彦卿，渗流场——应力场耦合分析，勘察科学技术，1998．4，3～6
2、速宝玉、詹美礼、王嫒，裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究[J]，岩土工程学报，1997，19(4)，73～77
3、郑少河、朱维申，裂隙岩体渗流损伤耦合模型的理论分析[J]，岩石力学与工程学报，2001，20(2)，156～159
4、许彦卿，岩体渗流场与应力场耦合的双重介质模型[J]，水文地质工程地质，1998，1，43～46
5、朱珍德、胡定，裂隙水压力对岩体强度的影响[J]，岩土力学，2000，21(1)：64～67
6、柴军瑞，考虑渗透动水压力时等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型 四川大学学报(工程科学版)，2001，33(6)，14～17
7、杨天鸿、唐春安、朱万成、冯启言，岩石破裂过程渗流与应力耦合分析，岩士工程学报(J)，2001，23(4)，489～493
8、Bellier J., P. Londe, The Malpasset dam, Engineering Foundation Conf. Proc., The evaluation of dam safety, 1976.
9、Wittke, W., G. A., Leonards, Modified hypothesis for failure of Malpasset dam, Int. Workshop on dam failures, Purdue University, West-lafayette, 1985
10、Jaeger, C., Rock Mechanics and engineering, 2rd. Ed. Cambrige, The Univ. Pr., 1979
11、Seed H. B., The Teton Dam failure a retrospective review, Proc Xth Icsmfe Stockholm 1981
12、汝乃华，梅山连拱坝右坝座的错动及其原因分析，水利学报，1988，9
13、黄文熙 高土石坝科研工作中的几个问题 水工建设中的结构力学与岩土力学问题
14、Clark, J. B, A hydraulic process for increasing the productivity of wells Trans AIME (1949) 186 Ⅰ
15、陈彭年，世界地应力资料汇编，地震出版社，1990
16、刘允芳、刘元坤，水压致裂法三维地应力测量方法的研究，地壳变形与地震[J]，1999，19(3)，64～71
17、李自强，水压致裂法地下绝对应力测量．中国诱发地震[M]．[北京]：地震出版社．1984
18、陈进杰、王祥琴，劈裂灌浆及其效果分析，石家庄铁道学院学报[J]，1995，8(2)，124～129
19、陈愈炯 土坝坝体的防渗灌浆 水利水电技术[J] 1980第二期
20、吕洪予、方开泽、王洪恩，土坝坝体劈裂灌浆浆液固结分析，岩土工程学报[J]，1994，16(5)．16～23
21、黄润秋、王贤能、陈龙生．深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析，岩石力学与工程学报，2000 (9)，573～576
22、Lofquist. B. Discussion on Cracking in earth Dams Proc. of 4~(th) ICSMFE London 1957 Vol. 3. 261-262
23、John Wiley & Sons Embankment-Dam Engineering New York 1973 Embankment-Dam cracking 271 J. L Sherard
24、Yaughan P. R, Kluth D. J. Leonard M. W. Cracking and Erosion of the Rolled clay Core of Balderhead Dam and the Remedial Works Adopted for its Repair Proc. 10~(th) International Cangress on large Dams Vol 1 1970 73-93
25、Jaworski W, Duncan J. M. & Seed H. B. Laboratory study of Hydraulic Fracturing Journal of the Geotechnical Engineering Division ASCE June 1981
26、挪威水电工程经验介绍 (摘编)，谷兆祺主编，亚太公司Trondheim，Norway，1985
27、Clark, J. B A hydraulic process for increasing the productivity of wells Trans AIME(1949) 186,Ⅰ
28、Huttert M K and Willis D G Mechanic of Hydraulic Fracturing Transactions of Aserican Institute of Mining Engineers 1957 Vol 210 153-168
29、Haimson B Hydraulic Fracturing in Porous and Non-porous Rock and Its Potential for Determining In-site stress at Great Depth Technical Report 1968 No 4-68
30、王建军，应用水压致裂法测量三维地应力的几个问题[J]，岩石力学与工程学报，2000，19(2)：229—233
31、刘允芳，水压致裂法三维地应力测量[J]，岩石力学与工程学报，1991，10(3)：246—256
32、Nobari E S Lee K L & Duncan J M Hydraulic Fracturing in Zoned Earth and Rockfill Dams Report, office of Research Service Univ. of California Berkeley Calif 1973 17-23
33、丁金粟，水力劈裂试验破坏机理初步分析，1982 12(手稿)
34、丁金粟、孙亚平，水力劈裂试验中击实土厚壁筒应力分析，清华大学学报[J]，1983
35、杨斌，击实粘性十空心圆柱试件水力劈裂性能研究[D]．北京，清华大学，1985
36、黄文熙 水力劈裂机理的探索 1982 12(手稿)
37、陈愈炯 孔凡玲 击实粘性土的水力劈裂试验 水利水电科学院交流资料 1983 8
38、陈勉 庞飞 金衍，大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析[J]，岩石力学与工程学报，2000，19(增)：868～872]
39、S. C. Blair, R. K. Thorpe, F. E. Shaffer, Laboratory observations of the effect of geologic discontinuities on hydrofracture propagation[C], Rock Mechanics as
a Guide for Efficient Utilization of Natural Resources, Khair(ed.), 1989 Balkema, Rotterdam ISBN 90 6191 871 5
40、C. M. Kim & H. H. Abass, Hydraulic fracture initiation from horizontal wellbores: Laboratory experiments, In: Rock Mechanics as a Multidisciplinary Science, Roegiers ed., Proceedings of the 32nd U. S. Symposium, Balkema, Rotterdam, 1991:231～240
41、T. Ito and K. Haygshi. Analysis of crack reopening behavior for hydrofrac stressmeasurement[C]. In: Rock Mechanics in the 1990s(volume Ⅰ), (Bezalel Haimson Ed.). The 34th U. S. Symposium on rock mechanics, University of Wisconsin-Madison, June 27～30,1993:335～338
42、De Pater C. J., Weyers t., Savic M. et al. Experimental study of non-linear effects in hydraulic fracture propagation, SPE 25893(1993)
43、Martha L. F., Topological and Geometrical Modeling Approach to Numerical Discrietization and Arbitrary Fracture Simulation in Three Dimensions[D], PAD. Thesis, Cornell University, Ithaca, N. Y., 1991
44、Axel K. L. Ng and John C. Small, A Case Study of hydraulic fracturing using finite element methods[J], Can. Geotech. J. Vol. 36, 1999:861～875
45、Sousa, J. L. Three-Dimensional Simulation of Near-Wellbore Phenomena Related to Hydraulic Fracturing from a Perforated Wellbore[D], PAD. Thesis, Cornell University, Ithaca, N. Y., 1992
46、Gen-hua Shi. Numerical Manifold Method. In: Yuzo Ohnishi, eds. Proc. of ICADD-2, The Second International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation. Kyoto, Japan, 1997, 1～35
47、Weiyuan Zhou, Qiang Yang, Xiaodong Kou. Manifold Method and Its Application to Engineering. In: Yuzo Ohnishi, eds. Proc. of ICADD-2, The Second International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation. Kyoto, Japan, 1997,274～281
48、T. Bclytschko, Y. Krongauz, D. Organ, M. Fleming, P. Krysl. Meshless methods: An overview and recent developments [J] Comput. Methods Appl. Engrg. 1996 (139), 3～47
49、W. K Liu, Y. Chen, S. Jun, J. S, Chen. T. Belytschko. C. Pan, R. A. Uras and C.T. Chang, Overview and applicmions of the reproducing kernel particle methods. Archives of Computational Methods in Engineering: State of the an reviews 3(1996) 3～80
50、庞作会，一种新的数值方法——无网格伽辽金法[J]，计算力学学报，1999，16(3)，320～329
51、孙亚平，水力劈裂机理研究(D)，博士学位论文，北京：清华大学，1985．12，P14
52、黄良辉，复杂应力状态土体水力劈裂性质研究[D]，博士学位论文．北京：清华大学，1989．1，P28
53、《数学手册》编写组 数学手册 高等教育出版社 1979 北京 836—837
54、徐芝纶 弹性力学：上册，第3板 北京：高等教育出版社：1982
55、王铎 断裂力学[M] 哈尔滨工业大学出版社
56、傅宇方、黄明利、任风玉、唐春安，不同围压条件下孔壁周边裂纹演化的数值模拟分析(J)，岩石力学与工程学报，2000，19(5)：577～583
57、杨卫 细观力学和损伤力学[J] 力学进展 1992 22(1)1～9
58、汪德爟，计算水力学理论与应用[M]，河海大学出版社，1989
59、王润富、陈国荣，弹性力学及有限单元法[M]，河海大学出版社，1999
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61、石根华，数值流形法与非连续变形分析[M]，北京：清华大学出版社，1997
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67、Lu Y Y, Belytschko T and Gu L A New Implementation of the Element-Free Galerkin Methods in Engrg., 1994, 113:397～414
68、庞作会、葛修润、王水林，对无网格伽辽金法的两点补充[J]，岩石力学与工程学报，1999，18(5)：581～584
69、张建辉、邓安福、王成，无单元法在弹性地基板计算中的应用[J]，重庆建筑大学学报，1999，21(2)，34～39
70、张建辉、邓安福，无单元法在筏板基础计算中的应用[J]，岩土工程学报，1999，21(6)，691～695
71、张伟星、庞辉，无单元法计算钢筋混凝士筏板[J]．计算力学学报．2000，17(3)：326～331
72、周维垣 寇晓东．无单元法及其工程应用[J]．力学学报．1998，30(2)：193～201
73、寇晓东、杨若琼、沈大利，无单元法在小湾拱坝开裂计算中的应用[J]，云南水力发电，1(16)。71～76
74、周小平 周瑞忠．对无单元法插值函数的几点研究[J]．福州大学学报(自然科学版)．2000，28(2)：52～56
75、周瑞忠，周小平，缪圆冰，具有自适应影响半径的无单元法[J]，工程力学，2001 18(6)：18～23
76、陈虹、林建华，用无单元法求解河道水流运动方程[J]，计算力学学报，2001，18(2)，249～252
77、刘素贞、杨庆新、陈海燕，无单元法在电磁场数值计算中的应用研究[J]，电工技术学报，2001，16(2)，30～33
78、寇晓东 无单元法追踪结构裂纹及拱坝稳定分析(D) 博士论文 北京：清华大学
79、Wong T. F Effect of Temperature and Pressure on Failure and Post-failure Behavior of Westerly Granite. Mech. Mater., 1982a, 1:3～17
80、徐振兴 断裂力学 [M] 湖南大学出版社 1987 4～5
81、寇晓东、周维垣 应用无单元法追踪裂纹开展 岩土力学与工程学报 19(1)：18～23
82、尹双增 断裂、损伤理论及应用 北京：清华大学出版社1992
83、国际焊接协会第X委员会—缺陷评定工作组：X-WGSD-16，1974
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27、Clark, J. B A hydraulic process for increasing the productivity of wells Trans AIME(1949) 186,Ⅰ
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31、刘允芳，水压致裂法三维地应力测量[J]，岩石力学与工程学报，1991，10(3)：246—256
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38、陈勉 庞飞 金衍，大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析[J]，岩石力学与工程学报，2000，19(增)：868～872]
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45、Sousa, J. L. Three-Dimensional Simulation of Near-Wellbore Phenomena Related to Hydraulic Fracturing from a Perforated Wellbore[D], PAD. Thesis, Cornell University, Ithaca, N. Y., 1992
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47、Weiyuan Zhou, Qiang Yang, Xiaodong Kou. Manifold Method and Its Application to Engineering. In: Yuzo Ohnishi, eds. Proc. of ICADD-2, The Second International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation. Kyoto, Japan, 1997,274～281
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50、庞作会，一种新的数值方法——无网格伽辽金法[J]，计算力学学报，1999，16(3)，320～329
51、孙亚平，水力劈裂机理研究(D)，博士学位论文，北京：清华大学，1985．12，P14
52、黄良辉，复杂应力状态土体水力劈裂性质研究[D]，博士学位论文．北京：清华大学，1989．1，P28
53、《数学手册》编写组 数学手册 高等教育出版社 1979 北京 836—837
54、徐芝纶 弹性力学：上册，第3板 北京：高等教育出版社：1982
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