降温对岩石裂隙扩展影响机理的数值试验研究

摘要

本文主要针对低温地下储库的围岩稳定性问题,旨在研究降温对岩石裂隙扩展的影响机理.主要以围岩中的Ⅰ型裂纹为研究对象,从理论和数值试验两方面研究了降温时在温度应力作用下裂隙扩展的机理,探讨了岩石类型和降温过程对岩石裂隙扩展机理的影响. 此外,还以围岩中靠近洞壁的倾斜裂纹为研究对象,探索了裂隙与洞壁的夹角对这种Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹扩展的影响机理.研究成果对类似的科学研究和工程问题都具有一定的借鉴意义. 利用叠加原理推导出温度应力和地应力的共同作用下Ⅰ型断裂裂纹断裂判据的具体形式,反映了地形因素(埋深H)、岩性因素(弹性模量E、泊松比μ、线膨胀系数α和容重γ)以及温度场的因素(变温△T)对裂纹扩展的影响. 通过数值试验表明岩石的线膨胀系数是影响温度致裂的重要因素.考虑线膨胀系数随温度降低而降低之后,裂尖应力强度因子减小为原来的50﹪～60﹪；线膨胀系数取值变化一定的倍数,裂尖的应力强度因子的相对变化因子不小于0.8.此外,岩石弹性模量对裂隙扩展影响也较大. 降温过程对裂隙扩展的影响结果表明,裂隙长度增加150﹪,裂尖应力强度因子的稳定值增加50﹪左右；降温强度越大,裂尖应力强度因子值越大,其增长幅度比边界温差的变化幅度小10﹪～30﹪. 裂隙面不垂直洞壁,裂隙在温度应力作用下为Ⅰ型和Ⅱ型拉剪复合断裂.不同倾角的裂隙由温缩产生破裂的起裂方向都是沿着温度传播的方向,与其倾角无关,但扩展的长度却与裂隙倾斜程度有关,裂隙面与温度传播方向的夹角越小,则由温缩引起裂隙扩展的长度就越大,张开变形也越大.当裂隙与洞壁的夹角β由5°增加到85°时,Ⅰ型的裂尖应力强度因子逐渐增加；而Ⅱ型的裂尖应力强度因子则先增后降,呈单峰型,在45°时达到最大值. 从工程应用的角度出发,给出了一定地质条件下,初步确定了储存介质温度与储库埋深之间的关系的图表,为工程设计提供参考.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文使用授权声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状

1.2.1低温、冻融循环下岩石特性

1.2.2降温时岩石裂隙扩展的机理研究

1.2.3岩石裂隙扩展的数值仿真分析

1.2.4应力场和温度场共同作用下裂隙扩展进展

1.3本文的主要研究任务

2数值试验的基本理论

2.1温度场基本理论

2.1.1热传导微分方程

2.1.2温度场的边值条件

2.2温度应力基本理论

2.2.1温度应力问题基本方程

2.2.2按位移求解平面温度应力问题

2.2.3平面温度应力问题的有限单元法

2.3初始地应力

2.4断裂力学基本理论

2.5裂隙扩展准则形式的建立

2.6本章小结

3数值试验平台与模型

3.1 ANSYS平台热分析模块

3.2 ANSYS平台静力分析模块

3.3温度场应力场耦合方法

3.4数值试验模型及热-力耦合过程

3.4.1数值试验模型的建立

3.4.2边界条件

3.4.3求解

3.4.4后处理

3.5应力强度因子计算

3.5本章小结

4岩石类型对裂隙扩展的影响机理分析

4.1数值试验条件与方案

4.1.1数值试验条件

4.1.2数值试验方案

4.2裂隙扩展准则分析

4.2.1确定等效应力强度因子

4.2.2确定花岗岩的断裂韧度

4.2.3裂隙扩展判断

4.3数值试验成果及分析

4.3.1一种特定岩石的裂隙低温扩展机理

4.3.2岩石特性随温度变化对裂隙扩展的影响

4.3.3岩石类型对裂隙扩展的影响

4.4本章小结

5地下油气储库降温过程对围岩裂隙扩展的影响机理分析

5.1降温边界类型对不同长度裂隙扩展机理的影响

5.1.1数值试验方案设计

5.1.2数值试验结果分析

5.2降温速度对裂隙扩展机理的影响分析

5.3降温强度对裂隙扩展机理的影响分析

5.3.1数值试验及结果

5.3.2工程应用分析

5.4本章小结

6裂隙倾角对裂隙扩展的影响分析

6.1裂隙倾角对裂隙附近温度场分布的影响

6.2裂隙倾角对裂尖附近温度应力的影响

6.3裂隙倾角对裂尖应力强度因子的影响

6.4本章小结

7结论和展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录