低孔隙度岩石细观本构模型及损伤-渗流耦合研究

摘要

多场耦合问题的研究近年来成为现代岩石力学的一个重要分支，其原因是该领域的研究涉及到诸多工程应用，如核废料处置、石油二次开采、二氧化碳地下封存、高坝坝基安全性评估等等。目前该领域在数学模型、原位实验、计算程序三个方面取得了一定的进展，对岩石、结构面、岩体耦合机制的研究仍需进一步完善。就岩石而言，学者们致力寻求一个可以完全描述应力．应变全过程中渗透率种种变化规律的模型，尤其希望模型能够正确反映出岩石损伤引起的渗透率各向异性演化。本文选择低孔隙度岩石作为研究对象，采用细观力学作为研究工具，全面展开本构模型和渗透率演化模型的研究。论文的主要研究成果和研究工作归纳如下： (1)对当前岩石力学中常用建模理论、荷载(变形)引起的渗透率演化模型、数值方法进行综述。对比损伤力学中的两个分支：连续损伤力学和细观损伤力学，陈述本文选用细观损伤力学建立本构模型和渗透率演化模型的因由。指出现有的岩石和岩体渗透率演化模型的不足之处，在此基础上提出本文的研究思路和研究方法。 (2)选用基于应变的数学格式建立岩石的细观本构模型。在归纳出低孔隙度岩石三轴试验各种现象的基础上，提出了建模的预期目标。叙述了建模的步骤、REV尺度的确定以及所采用的岩石概念模型：将岩石视为岩石基质和微裂纹系统组成的二元介质。把微裂纹分为张拉/压剪两类，建立了张拉/压剪微裂纹的判别准则，在应变空间中对判别准则进行表达。对张拉微裂纹进行细观力学分析，推导了张拉微裂纹扩展的判别准则和演化方程。应用能量原理推导了张拉微裂纹的四阶均匀化刚度张量和四阶切线均匀化刚度张量。 (3)在评述当前常用的微裂纹滑移准则的基础上，提出了本文的滑移准则，考虑了微裂纹滑移引起的裂纹面法向膨胀，以及由法向膨胀引起的微裂纹进一步扩展，阐明了滑移-扩展相互影响的细观力学机制。推导了压剪微裂纹的四阶切线均匀化刚度张量，通过球面积分推导了含微裂纹系统的增量本构表达式。编制了相应的程序模拟三轴拉伸试验以及三轴压缩试验，对模型的各个参数进行敏感性分析。从细观机理上对计算结果的进行详细的分析和解释。 (4)总结低孔隙度岩石三轴压缩过程中渗透率的变化规律，在此基础上提出岩石的4阶段渗透率演化概念模型，以此作为渗透率演化模型的建模目标。对影响岩石渗透率的两个因素：单条微裂隙开度和微裂隙系统的连通率展开讨论。将单裂隙隙宽的变化拆分为弹性压缩、剪切滑移引起的法向膨胀、裂隙扩展引起的法向膨胀三个部分，推导了应变空间描述的隙宽演化表达式；推导了损伤过程中连通度的演化方程。编制了相应的程序用对渗透率演化模型的参数进行敏感性分析，从微裂隙的细观运动机制上对数值模拟的结果做出详细的解释。 (5)通过试验验证提出的本构模型和渗透率演化模型。选取南京大理石试样进行三轴试验，采用提出细观本构模型对试验进行数值模拟，将模拟的结果和试验的结果进行对比，验证模型的正确性。对其他文献中的花岗岩、砂岩试验成果进行数值模拟，验证模型的普适性。分析两组深部花岗岩的渗透率演化试验成果，用提出的渗透率模型对试验成果进行模拟，并与Souley的数值模拟结果进行对比，给出两种渗透率模型的评述。定性分析洛古玄武岩三轴压塑过程中的渗透率演化的规律，采用本文的渗透率演化模型对其进行数值模拟，并给出评述。 (6)借助于ABAQUS的二次开发功能，将提出的细观模型和渗透率演化模型嵌入其中。用提出的模型模拟加拿大的地下原位试验室420m深处的3条峒室，对模拟的结果给出解释，并与现场观测的结果进行对比。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1问题提出

1.1.2理论及工程应用价值

1.2研究综述

1.2.1岩石本构模型综述

1.2.2荷载引起的渗透率变化综述

1.2.3岩石力学数值方法及THM耦合程序

1.3本文主要工作

1.3.1细观本构模型

1.3.2损伤引起的渗透率演化模型

1.3.3室内试验和原位试验对模型的验证

第二章低孔隙度岩石的各向异性细观本构模型

2.1岩石细观概念模型

2.2细观本构模型的一般方法

2.2.1建模步骤

2.2.2等效连续模型的REV尺寸

2.2.3宏观和细观尺度下的应力应变度量

2.2.4 REV内的细观分析及均匀化

2.3各向异性的细观本构模型

2.3.1细观本构模型的基本假定

2.3.2微裂纹组变形的度量及宏观应力应变的度量

2.3.3含微裂纹岩石的宏观自由能

2.3.4裂纹张拉和压剪状态的判别准则

2.3.5张拉微裂纹的细观分析

2.3.6张拉微裂纹的宏观刚度张量

2.3.7压剪微裂纹的细观分析

2.3.8压剪微裂纹的宏观刚度张量

2.4含多组微裂纹的各向异性本构模型

2.4.1微裂纹的空间分布

2.4.2单组微裂纹的力学特征总结

2.4.3二元介质系统的细观本构表达

2.5各向异性细观本构模型的参数研究

2.5.1模型对单轴拉伸的模拟

2.5.2单轴拉伸条件下参数kt的敏感性分析

2.5.3单轴拉伸条件下参数η的敏感性分析

2.5.4模型对单轴轴压缩的模拟

2.5.5三轴压缩条件下参数ρ的敏感性分析

2.5.6三轴压缩条件下参数f的敏感性分析

2.5.7单轴拉伸强度和单轴压缩强度

2.6本章小结

第三章岩石损伤引起的渗透率演化模型

3.1损伤引起的低孔隙度岩石渗透率变化

3.1.1基本概念

3.1.2不同应力-应变阶段渗透率的变化规律

3.2岩石损伤引起的渗透率变化概念模型

3.2.1宏观目标模型

3.2.2损伤-渗流模型的基本假设

3.3各向异性的损伤-渗流模型

3.3.1单条微裂隙的渗透率

3.3.2单组微裂隙开度的详细讨论

3.3.3多组微裂隙的渗透率

3.4模型参数研究

3.4.1单轴压缩条件下渗透率变化的模拟

3.4.2参数Kni的敏感性分析

3.4.3参数N的敏感性分析

3.4.4参数f的敏感性分析

3.5本章小结

第四章室内试验验证

4.1细观本构模型的试验验证

4.1.1试验仪器与试样

4.1.2试验成果整理

4.1.3细观模型对试验的验证

4.1.4细观模型对其他试验成果的验证

4.2渗透率演化模型的试验验证

4.2.1试验仪器与原理

4.2.2模型验证

4.3本章小结

第五章原位试验模拟

5.1 URL原位试验

5.1.1 URL原位试验介绍

5.1.2评估开挖损伤区(EDZ)的几种方法

5.2细观模型和渗透率模型的程序实现

5.2.1数值方法选择

5.2.2 ABAQUS的本构模型接口

5.2.3程序实施

5.3细观本构模型对原位试验的模拟

5.3.1试验地点

5.3.2数值模拟

5.4渗透演化模型对原位试验的模拟

5.4.1试验地点

5.4.2原位渗透率测试仪器

5.4.3数值模拟

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1全文结论

6.2未来工作的展望

参考文献

附录

个人简介及攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间参加的科研项目

致谢