裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合问题的近场动力学模拟分析

摘要

随着国家经济建设的发展，越来越多的岩石工程涉及到多场耦合问题，裂隙岩体温度场-渗流场-应力场的耦合问题已经成为当前岩石工程的研究热点和研究难点。由于实际岩石工程中裂隙岩体多场耦合作用所处地质环境的复杂性，以及室内试验方法的局限性，数值模拟方法是目前研究裂隙岩体多场耦合作用最有效的手段之一。近场动力学理论是一种非局部理论，它采用空间积分法描述物质力学行为，在求解不连续问题时能够有效的避免解微分方程而产生的奇异性问题，对于处理材料的不连续问题具有较大的优势，同时由于近场动力学基于非局部理论，能很好的模拟热传导与地下水的渗流问题。本文根据近场动力学的基本原理，建立了裂隙岩体破裂过程中温度场-渗流场-应力场耦合的数值计算模型，并编制相应的计算程序对该模型进行了验证和分析，论文主要的研究工作如下：
　　①通过在基于键作用的近场动力学理论中引入切向键以模拟材料的剪切变形，从微观机理上完善了基于键作用的近场动力学本构模型，建立了近场动力学微观力学参数与宏观弹性常数之间的关系。根据近场动力学柯西应力张量，建立了基于非普通状态的近场动力学理论损伤破坏模型，将物质点上的应力转化为键上的应力，并运用最大拉应力强度准则、莫尔-库仑强度准则双剪强度准则来判断键的破坏与否，再将每个物质点上断裂的键的数量与该物质点上包含键的总数的比值作为该物质点的损伤函数。该模型成功的运用于模拟岩石三维裂纹的起裂、扩展和连接，并且得到了岩石破裂过程的应力应变曲线。
　　②根据热传导理论，并运用欧拉-拉格朗日方程推导了基于非局部理论的近场动力学热传导方程，建立了近场动力学微导热系数与材料宏观导热系数之间的关系；运用材料的热膨胀特性，将根据近场动力学热传导方程求解出的温度场转换为近场动力学物质点的变形梯度张量，再将变形梯度张量代入非普通状态近场动力学的力状态函数中，从而实现了岩体温度场与应力场的耦合。
　　③根据达西定律，推导了基于非局部理论的近场动力学渗流基本方程，运用质量守恒原理建立了一维和二维情况下宏观渗透系数与微观近场动力学渗透系数之间的关系。基于非普通状态近场动力学理论和经典的多孔介质流固耦合理论，通过在近场动力学本构方程中引入孔隙水压力增项和在近场动力学渗流基本方程引入有效应力对渗透系数的影响，从而实现了运用近场动力学方法解决裂隙岩体中渗流场与应力场耦合问题。
　　④基于近场动力学热传导理论和近场动力学渗流理论，推导出了裂隙岩体温度场与渗流场耦合数学模型，最后根据温度场、渗流场和应力之间的两两耦合模型，建立基于近场动力学理论的裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合数值模型，并将该耦合模型运用于深部巷道围岩温度场-渗流场-应力场耦合的模拟分析，探讨了本文提出的基于近场动力学理论的裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合数值计算模型的工程应用前景。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究目的及学术意义

1.2 国内外研究现状

1.3 现有研究中存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容及技术路线

2 基于切向键与法向键作用的近场动力学理论

2.1 基于键作用的近场动力学理论基本原理

2.2 基于切向键与法向键作用的近场动力学理论

2.3 基于切向键与法向键作用的近场动力学的数值模拟试验

2.4 本章小结

3 基于非普通状态的近场动力学理论的损伤模型

3.1 基于非普通状态的近场动力学理论基本原理

3.2 基于非普通状态的近场动力学理论的损伤模型

3.3 基于非普通状态的近场动力学理论破裂模型的数值模拟

3.4 本章小结

4 裂隙岩体温度场-应力场耦合的近场动力学理论

4.1 近场动力学热传导理论

4.2 近场动力学热力耦合

4.3 温度与应力耦合的近场动力学数值模拟

4.4 本章小结

5 裂隙岩体渗流场-应力场耦合的近场动力学理论

5.1 裂隙岩体渗透性能等效连续化处理

5.2 近场动力学渗流理论

5.3 近场动力学渗流场与应力场耦合理论

5.3 渗流场与应力场耦合的近场动力学数值模拟

5.5 本章小结

6 裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的近场动力学理论

6.1温度场与渗流场耦合的近场动力学理论

6.2 裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合作用的近场动力学理论

6.3 裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合作用的数值模拟

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究成果及结论

7.2 文章创新点

7.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 其它成果