岩石破裂过程THM-D耦合数值模型及其应用研究

摘要

在水电工程、地下工程、边坡工程、石油(煤层气)开采、地热开发、地震控制及预测、放射性废料深埋处理等领域中，温度一渗流一应力耦合作用过程问题已经成为岩石工程中的热点和难点研究问题。从岩体THM耦合作用的地质处置来看，岩体赋存在一定的物理地质环境中，温度场、渗流场和应力场是岩体物理地质环境中的三个重要组成部分；从系统的角度来看，围岩THM耦合是子系统间相互作用的必然结果，“耦合过程”的术语意味着一个过程会影响其它过程的发生和发展。在实践中，THM耦合作用研究有助于工程的安全设计，为各类地质灾害的预测预报提供科学依据；在理论上，温度-渗流-应力的耦合研究分析有助于人们对岩体热破坏模式、介质迁移机制、渗流模式及渗流基本规律的研究，从而促进岩石(体)力学理论的广泛研究，使岩石(体)力学理论更能反映实际，而且能促使地下水力学、岩体力学，工程热力学等各学科之间相互交叉和渗透，具有十分重要的理论及实际意义。 由于THM耦合作用所处物理地质环境的复杂性，以及实验方法、手段的局限性，数值计算分析仍是目前开展THM耦合作用研究的最有效手段之一。本文围绕岩石破裂过程中温度、渗流、应力及损伤耦合作用机理这一研究主题，从岩石材料的细观结构层次出发，基于细观损伤力学、弹性热力学和Biot经典渗流力学理论，提出了岩石破裂过程THM-D耦合数值模型，同时进行了该模型的验证及应用分析，主要研究工作可以总结为以下几个方面： 1．在总结前人对温度、渗流、应力(THM)三因素及其耦合作用研究的基础上，分析了THM三场耦合方程参数的物理意义、适用性，研究岩石在热载、水压载荷耦合作用下的损伤、变形问题；并探讨了岩石渗透特性、热导特性等与有效应力、损伤变量的函数关系式； 2．根据温度场、渗流场和应力场三场之间的耦合强度特征，并针对研究对象和研究目标，对三场耦合作用模式进行合理的简化，基于细观损伤力学、弹性热力学和Biot经典渗流力学理论，引入细观结构下岩石热力学特性、渗流特性演化方程，建立了描述岩石细观结构热-渗流-应力-损伤(THM-D model)耦合作用的数值模型，数值模型以岩石宏观非线性变形破坏行为与细观结构非均匀性和非连续性演化之间的联系为基础，使得THM耦合作用诱发岩石材料性能的劣化及其对岩石渗透、热力学特性的影响在数值模型中得以实现。 3．在岩石破裂过程分析系统RFPA中实现了THM-D耦合模型的数值算法，并介绍了RFPA．THMD耦合计算程序的开发环境、程序的总体构架和总体功能，并通过TM热应力分析、TH耦合强度作用分析及THM耦合作用下的应力分析，验证了模型及程序的可靠性。 4．TM分析：分析了不同均值度下影响热应力及其破裂模式的参数；TH分析：分析了TH的耦合作用强度，分别以渗流速度、岩体导热系数为研究对象，研究渗流场对温度场的影响，以岩石的孔隙(裂隙)率为研究对象，研究温度对孔隙岩石介质的渗透性影响；THM-D分析：通过对THM耦合作用下岩石(体)模型的宏观力学响应分析，研究了岩石(体)的结构特性、TH耦合强度及岩石(体)细观结构损伤对岩石(体)宏观力学响应的影响。 5．对高放废料深埋处置工程背景下的实例进行模拟分析，一是对瑞典Aspo原位实验中核废料处理井筒间柱岩体的稳定性进行分析，二是对DECOVALEX国际合作项目中第二阶段工作台标定实验(Bench-Mark Test 3，简称BMT3)进行数值计算分析。研究了工程岩体在THM耦合作用下的应力场、温度场、渗流场、破坏过程及相应AE特征演化规律，探讨了本文提出的THM-D耦合数值模型的工程应用前景。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1温度—渗流—应力耦合作用研究的目的及意义

1.2温度—渗流—应力三场耦合研究综述

1.2.1温度—渗流—应力(THM)耦合作用的特点

1.2.2温度—应力(TM)作用研究

1.2.3温度—渗流(TH)作用研究

1.2.4渗流—应力(HM)及温度—渗流—应力(THM)作用研究

1.3温度—渗流—应力三场耦合研究评述

1.4本文研究思路及主要开展工作

1.5小结

参考文献

第二章岩石破裂过程THM-D耦合数值模型

2.1数值模型的基本思路

2.2材料性质的赋值

2.3岩石的应力应变关系

2.4岩石破裂过程THM三场耦合控制方程

2.4.1基本假设

2.4.2岩体变形场控制方程

2.4.3状态方程

2.4.4本构方程

2.4.5THM三场耦合控制方程

2.5细观单元的弹性损伤模型

2.5.1拉伸损伤演化方程

2.5.2剪切损伤演化方程

2.6三场耦合模型的数值解法

2.6.1平面问题的有限元应力分析

2.6.2平面问题的有限元热分析

2.6.3平面问题的有限元渗流分析

2.6.4计算单元渗透系数、热传导系数和比热值

2.7裂纹萌生扩展过程的模拟

2.8声发射的数值模拟

2.9小节

参考文献

第三章THM-D耦合作用分析系统及其验证

3.1 RFPA-THMD耦合作用分析系统—系统功能与特征

3.1.1开发环境

3.1.2总体结构和功能

3.1.3THM-D耦合程序计算流程

3.2程序正确性验证

3.3温度场及应力场验证

3.3.1稳定热传导温度场及其应力场验证

3.3.2非稳态热传导温度场及其应力场验证

3.4地下水渗流作用下的岩体温度场分布特性

3.5温度、渗流、应力三场作用下的应力分析

3.6小结

参考文献

第四章数值计算中的参数分析

4.1热破坏过程中的参数分析

4.1.1热膨胀系数的非均匀性对岩石热应力的影响

4.1.2热传导系数均值度对岩石热传导的影响

4.1.3热传导系数对岩石热破坏的影响

4.1.4稳态热传导和瞬态热传导对热破坏模式的影响

4.2破裂过程对岩石渗透率及孔隙压力分布的影响

4.3 TH耦合作用参数分析

4.3.1渗流对温度场影响的探讨

4.3.2不同孔隙、裂隙结构岩石渗透性变化

4.4小结

参考文献

第五章THM-D耦合作用的数值模拟分析

5.1 THM耦合作用下裂隙岩石(体)的力学响应特性分析

5.1.1模型及参数介绍

5.1.2模拟结果

5.1.3对比分析

5.1.4监测点信息分析

5.2 THM耦合作用下洞室周边近场岩体的力学响应分析

5.2.1 THM耦合作用下围岩体的弹性响应特性

5.2.2THM耦合作用下围岩体的损伤、破坏过程

5.2.3近场围岩体破坏过程分析

5.2.4近场岩体渗透特性变化

5.3 小结

参考文献

第六章实例应用分析

6.1核废料处理井筒间柱稳定性研究分析

6.1.1模型介绍

6.1.2计算力学参数选取

6.1.3数值模拟及结果分析

6.1.4岩体中结构面对间柱破坏模式的影响

6.1.5 THM耦合作用下的间柱岩体稳定性分析

6.2近场地质模型的实例研究

6.2.1 BMT3模型介绍

6.2.2数值模型建立

6.2.3模拟结果分析

6.3 小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.2 工作展望

致谢

作者简历