FRACOD模拟裂纹扩展液-力耦合模块的研发及工程应用

摘要

核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战。开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值。FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂隙的变形和张度、用立方定律等方法依次对相邻裂隙单元之间流量、水压进行计算,再通过力学部分及液体流动部分的动态时步迭代循环,进而获得最终岩体破裂状态。为进一步验证FRACOD中液-力耦合模块的模拟效果,以地热开发中水力压裂及节理岩体中裂纹传播过程为例进行分析。模拟结果表明,在高应力环境中,天然裂隙岩体在水压及原岩应力共同作用下发生了明显的剪切滑移,受裂纹剪切的影响天然裂隙的水力孔径增加了80%,裂隙内部流体流动明显增强;在液-力耦合作用下,液体驱动的裂纹与岩石节理贯通且贯通后的节理继续向最大主应力方向扩展,模型结果直观地展现了耦合裂纹的起裂、扩展和贯通全过程以及应力场、声发射等物理场信息的分布规律。FRACOD中液-力耦合模块的开发,可成为研究岩体液-力耦合问题的工具,进而为岩体工程领域提供一种新的模拟方法和手段。