岩体热-水-化-力耦合近场动力学模型及数值模拟研究

摘要

随着社会经济的迅速发展，工程建设活动遇到的岩体稳定性问题引起人们的极大关注。近年来，如高放射性核废料深埋地质处置、深埋隧道工程建设、地热资源开发、寒区隧道冻融循环、CO2地质封存和非常规油气开采等问题。这些工程建设中遇到的问题都迫切需要裂隙岩体热-水-力-化（THMC）耦合理论及分析技术的支持，以达到改善岩体工程性质、提高资源开采效率、节省工程建设投资以及增强防灾减灾能力的目的。裂隙岩体在热-水-力-化（THMC）耦合作用下裂纹起裂、扩展及连接机理研究不但可以有效预测地下工程中岩体稳定性，而且还可以合理地开发提高新型能源产量的相关技术，例如深部岩体非常规油气（石油、页岩气）开采方案、清洁地热能源开采方案及海底能源开采计划。　　随着计算机水平的发展，数值算法模拟岩体在多物理场耦合作用下的破裂机理相比于传统的试验方法具有诸多优势。例如，数值模拟算法具有廉价性、可重复性等优势。另外，数值算法克服了传统试验中试验条件单一的限制。近场动力学是一种基于非局部连续介质力学理论的数值计算方法。近场动力学理论中采用不含有空间微分项的微分-积分控制方程，在求解非连续问题时可以有效地避免其奇异性问题。因此，本文在近场动力学理论基础上，提出了热-水-力-化耦合的近场动力学数值模型，模拟了岩体在热-水-力-化耦合作用下的破裂问题。　　为了模拟岩石在加载条件下的破裂问题且克服传统近场动力学理论的泊松比固定的限制。本文，首先建立了“共轭键”基近场动力学数值模型。在该模型中，切向力密度的引入克服了传统近场动力学数值理论中的固定泊松比的问题。应用该模型研究了单轴加载条件下含有多岩体的破裂特性。与试验结果和传统离散元数值结果相对比，证明了“共轭键”基近场动力学数值模型预测岩石中裂纹起裂、扩展和连接方面的正确性和准确性。　　为了模拟岩石在温度荷载条件下的破裂问题，本文建立了热-力耦合“键”基近场动力学数值模型。在该模型中，多尺度时间积分的提出有效地克服了多场耦合条件下的多时间尺度问题。通过多个不同的脆性固体在不同热荷载作用下的破裂特性预测，且与试验结果和传统离散元数值结果相对比，说明了提出的热-力耦合“键”基近场动力学数值模型在模拟不同条件下的岩石热破裂的正确性和准确性。　　为了模拟岩石在水压条件下的破裂问题，本文建立了水-力耦合作用下“键”基近场动力学数值模型。在该模型中，应用 Biot 多孔介质渗流理论和相应的裂隙渗流立方定律，建立了裂隙多孔介质渗流模型。通过质量守恒定律和动量守恒定律建立了水-力耦合“键”基近场动力学数值模型。该模型可以解决多孔介质的渗流问题，避免了在传统数值计算方法中需要在裂隙附近设置内边界或网格重构的困扰。通过不同的渗流算例和水压致裂计算结果与已经成熟的数值结果相对比，说明了提出的水-力耦合“键”基近场动力学数值模型在模拟不同条件下的岩体渗流问题和水压致裂的正确性和准确性。　　为了模拟岩石在化学腐蚀条件下的破裂问题，本文建立了力-化耦合“键”基近场动力学数值模型。在该模型中，通过化学溶液中化学离子浓度判定物质点上的化学腐蚀程度，并将其代入相应的弹性刚度衰减函数和断裂阈值衰减函数中，从而实现力-化耦合作用下岩石材料的破裂预测。　　最后，提出了热-水-力-化耦合作用下的近场动力学数值模型，并将其应用到地热能开采的能量提取问题中，实现了地热能开采过程中的温度和水压变化的准确模拟。

目录

1 绪 论

1.1.1研究意义

1.1.2研究目的

1.2多场耦合理论研究现状

1.3多场耦合数值研究现状

1.4近场动力学数值理论研究现状

1.4.1“键”基近场动力学理论

1.4.2 普通“态”基近场动力学理论

1.4.3 非普通“态”基近场动力学理论

1.4.4混合方法

1.5.1研究内容及篇章结构

1.5.2技术路线图

2 “共轭键”近场动力学数值模型

2.1引言

2.2“共轭键”基近场动力学模型

2.2.1“共轭键”基近场动力学模型运动原理

2.2.2微观刚度参数校正

2.2.3力密度计算

2.2.4动量及角动量守恒证明

2.2.5断裂破坏准则

2.3.1时间积分

2.4.2 边界条件

2.4.1弹性变形问题

2.4.2 Nooru-Muhaned 拉剪试验数值模拟

2.4.3含单根预制岩体试样单轴压缩试验模拟

2.4.4 含两根预制裂纹岩石试样单轴压缩试验模拟

2.5 本章小结

3 热-力耦合近场动力学数值模型

3.1 引言

3.2 热-力耦合近场动力学理论

3.2.1 基于近场动力学的热传导方程

3.2.2 热-力耦合近场动力学模型

3.2.3 边界条件

3.3 数值实现过程

3.4 模型验证

3.5 数值模拟算例

3.5.1 岩石试样加热试验

3.5.2 LdB花岗岩加热破裂试验

3.5.3 圆盘形脆性固体材料淬火试验模拟

3.5.4 脆性固体板淬火试验模拟

3.5.5 核燃料棒热循环破裂数值模拟

3.5.6 岩石材料骤冷破裂过程数值模拟

3.6 本章小结

4 裂隙渗流及流-固耦合近场动力学模型

4.1 引言

4.2 裂隙多孔介质渗流/扩散概念模型

4.3.1 控制方程

4.3.2 初始及边界条件

4.4 流-固耦合近场动力学模型

4.5 近场动力学模型计算流程图

4.6模型验证

4.6.1无裂隙渗流模拟

4.6.2水平裂隙渗流模拟

4.6.3倾斜裂隙渗流模拟

4.6.4水压致裂

4.7 本章小结

5 化学腐蚀损伤近场动力学模型

5.1 引言

5.2.1 问题描述

5.2.2 化学扩散控制方程

5.2.3应力-化学腐蚀（SCC）控制方程

5.2.4初始和边界条件

5.3数值实现过程

5.4模型验证

5.4.1二维点状化学腐蚀模拟

5.4.2. 二维应力-化学腐蚀模拟

5.5 本章小结

6 热-水-化-力耦合近场动力学模型及工程应用

6.1 引言

6.2 多物理场耦合近场动力学模型建立

6.3数值实现过程

6.4.1 问题描述

6.4.2 数值结果分析

6.4.3 多场耦合水压致裂

6.5.1 工程背景

6.5.2 数值模型建立

6.5.3 数值结果分析

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 本文创新点

7.3 后续研究工作展望

参考文献

附录

A.1. 发表的期刊论文

A.2. 会议论文（报告）

A.3. 国家软件著作权

A.4. 国家发明（实用）专利

B. 作者在攻读博士学位期间获得奖励

C. 作者在攻读博士学位期间主持或参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢