三场耦合作用相关试验及耦合强度量化研究

摘要

温度场、渗流场和变形场是岩体物理地质力学环境的重要组成部分,这三个场之间存在高度非线性的复杂耦合作用,即THM耦合作用.近20年来,三场耦合理论取得了很大的进展,但作为一个新兴的交叉研究领域,三场耦合理论的研究还存在不少问题.该文结合国家自然科学基金项目,对当前三场耦合研究领域中存在的一些问题进行了研究.论文进行的主要工作及取得的主要结论以及创新性成果包括:(1)从三场耦合作用模式、三场耦合数学模型和相关试验研究3个方面比较全面地总结了三场耦合的国内外研究现状.(2)根据连续性方程、线动量平衡方程和能量守恒方程以及相应的物性方程推导了饱和岩体温度场-渗流场-变形场三场耦合作用控制方程组.(3)在不同温度水平和不同有效应力水平下,进行了砂岩的孔隙度试验.试验结果表明,有效应力对砂岩孔隙度的影响较大,在温度一定的情况下,砂岩的孔隙度随有效应力的增加而呈负指数规律减小;而温度变化(该试验中的温度变化范围为37.6℃)对砂岩孔隙度的影响很小.(4)在不同温度水平和不同有效应力水平下,进行了砂岩的渗透率试验.试验结果表明,温度的升高或(和)有效应力的增加都将导致砂岩渗透率的减小.(5)根据对试验结果的分析,初步提出了温度和有效应力对渗透率的影响机理.(6)进行了围压升降过程中砂岩岩样和单裂隙试件的渗透率试验.(7)根据多方收集到的资料,考察了温度和压力对岩石和地下水物性参数的影响.研究表明,与压力的影响相比,温度对岩石和地下水物性参数的影响更大.该文给出了地下水物性参数与温度之间精度较高的关系式.(8)在前人研究的基础上,根据试验研究给出了比较全面的三场耦合作用模式;根据耦合作用实现方式的不同,将三场耦合机理分为两类:

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西南交通大学学位论文创新性声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1三场耦合作用模式

1.2.2三场耦合数学模型

1.2.3相关试验研究

1.3本文研究的主要内容和方法

第2章三场耦合数学模型的建立

2.1基本假设

2.2物性方程

2.2.1状态方程

2.2.2本构方程

2.2.3补充方程

2.3三场耦合控制方程组的推导

2.3.1岩体变形场控制方程

2.3.2地下水渗流场控制方程

2.3.3岩体温度场控制方程

2.3.4温度场-渗流场-变形场三场耦合控制方程组

2.4定解条件

2.4.1边界条件

2.4.2初始条件

第3章温度和有效应力对岩石孔隙度的影响

3.1温度和有效应力对岩石孔隙度影响的理论研究

3.1.1温度对岩石孔隙度影响的理论研究

3.1.2有效应力对岩石孔隙度影响的理论研究

3.1.3温度和有效应力对岩石孔隙度影响的理论研究

3.2温度和有效应力对砂岩孔隙度影响的试验研究

3.2.1岩样制备

3.2.2试验原理及试验流程

3.2.3砂岩孔隙度试验结果

3.2.4有效应力对砂岩孔隙压缩系数的影响

3.2.5温度和有效应力对砂岩孔隙度的影响

第4章温度和有效应力对岩石渗透性的影响

4.1渗透率理论模型

4.1.1 Carman-Kozeny或平均水力直径模型

4.1.2毛细管束模型

4.1.3渗透率理论计算模型

4.2温度和有效应力对砂岩渗透性影响的试验研究

4.2.1试验设计

4.2.2砂岩渗透率试验结果

4.2.3温度和有效应力对砂岩岩样渗透性的影响规律

4.2.4温度和有效应力对砂岩岩样渗透率的影响机理初探

4.3试验小结

4.4讨论

第5章围压升降过程中岩体渗透率的变化特性

5.1试件的制备

5.2围压升降过程中渗透率试验结果

5.3围压升降过程中岩样渗透率与有效应力的关系

5.4岩样渗透率的损害率

5.5岩样渗透率对有效应力的滞后效应

5.6小结

第6章温度和压力对岩石和地下水物性参数的影响

6.1温度和压力对岩石物性参数的影响

6.1.1温度对岩石物性参数的影响

6.1.2压力对岩石物性参数的影响

6.2温度和压力对地下水物性参数的影响

6.2.1温度对地下水物性参数的影响

6.2.2压力对地下水物性参数的影响

6.3小结

第7章三场耦合机理及耦合强度量化研究

7.1温度场-渗流场-变形场三场耦合作用机理

7.2三场两两耦合作用强度量化研究

7.2.1渗流场与变形场耦合作用强度量化研究

7.2.2变形场与温度场耦合作用强度量化研究

7.2.3温度场与渗流场耦合作用强度量化研究

7.3三场耦合数学模型的简化

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果