核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

核废料贮存库围岩体热响应耦合场研究

岩体在加热状态的物理力学响应是核废料贮存库安全运行评价的主要指标。结合现场试验成果(温度、孔隙压力和变形),应用多孔连续介质力学理论对热诱导引起的岩体温度场、渗流场和应力场进行了有限元数值对比研究。提出了有限元计算过程中通过调整孔隙率和渗透系数来实现热–水–力耦合分析非线性孔隙弹性的研究方法。现场测试和数值模拟表明:在整个加热过程中,饱和岩体温度和有效应力随时间不断增加,而孔隙压力在加热能量变化初期呈上升趋势,在后期呈下降趋势。     

瑞典spAPSE岩柱热弹性耦合特性与数值模拟

瑞典s p硬岩地下实验室开展的APSE试验的主要目的在于分析岩柱在开挖及加热过程中的力学响应及渐进破坏过程,其岩柱热–力耦合特性的数值模拟研究是国际合作研究计划DECOVALEX-2011项目的3大研究课题之一。采用热弹性耦合模型研究了APSE岩柱在开挖及加热过程中的应力、变形及温度变化规律,表明热弹性耦合模型对完整致密岩体的热-力耦合特性具有较好的描述能力,计算结果总体上反映了岩柱在开挖及加热过程中的应力调整和温度变化特征,并可对岩柱壁面的破坏特征及扩展规律进行定性解释。但因缺乏对岩体中多相流运动过程和渐进破坏过程的描述能力,热弹性耦合模型也表现出较大的局限性。研究成果对中国北山预选区核废料硬岩储库围岩的稳定性评价具有一定的参考意义。     

动态

下期内容预告下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制;(2)简化Bishop法严格性的论证;(3)隔河岩水电站厂房后边坡与拱坝的相互作用研究;(4)盐岩非线性蠕变损伤模型及其工程应用;(5)软岩渗透性与应变及层理关系的试验研究;(6)重大水利工程下矿产开采对其安全影响评价及加固措施研究;(7)核废料地质贮存介质--黏土岩三维各向异性热-水-力耦合数值研究;(8)风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析;(9)短文(研究进展与工程实录)。     

高放废料地质处置中多场耦合作用下的岩石 破裂问题

 综述岩石力学中热–水–力耦合模型的研究进展,认为在热–水–力耦合作用下的岩石(岩体)破裂过程演化将直接影响高放射性废料地质处置库周围围岩的热力学特性、渗流特性和力学稳定性,进而影响高放射性核素在围岩中的迁移规律。通过建立一种描述热–水–力耦合条件下岩石破裂演化过程的细观力学模型,来揭示热–水–力耦合条件下宏观岩体结构破坏行为。计算分析结果表明,这种模型对于高放废料地质处置的可靠性分析具有重要的科学价值及现实意义。     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

高放废物工程屏障的热-水-力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热-水-力耦合作用分析的综合模型，分析考虑多孔介质的三相（固，液，气）和三类（矿物，水分，空气）模型，该模型是根据控制方程，本构关系和平衡条件来建立的，并提出用于模拟高放废物地下处置体系和附近场地性状的热-水-力耦合分析通过程序。热-水-力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去，通过试验结果的验证，得出一些关于热-水-力方面的重要结论。     

稠油注蒸汽热采中热-流-变形耦合模拟分析

针对稠油热采开发过程中高温蒸汽注入引起的岩层骨架应力、储层压力、温度耦合变化问题,应用连续介质力学和能量守恒理论,建立了稠油注蒸汽热采开发的热-流-变形耦合分析模型,采用有限元数值模拟技术并开发相应程序对耦合模型求解,定量分析近井壁区域储层温度、压力、岩层骨架变形等参数变化.计算结果表明:注蒸汽开发过程中热-流-变形耦合效应显著,造成近井壁区域地层抬升,岩层骨架有效应力由孔隙流体压力和地层温度的变化共同决定,不同加热时间、沿井径方向变化规律不同.     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

煤层气越流固-气耦合模型及可视化模拟研究

应用煤岩体变形与煤层气（瓦斯）越流相互作用的新观点，研究了双层系统煤层气越流运移的机理。在地球物理场作用下，双层系统煤层气越流实质上是可压缩性气体在各向异性且非均质的孔隙与裂隙双重可变形介质中的渗透与扩散的混合非稳定流动过程。依据这一新认识，建立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固-气耦合数学模型，并应用该耦合模型于邻近层煤层气涌出的可视化数值模拟实例中。经实测结果验证，该固．气耦合模型是符合实际的；同时，应用三维数值场计算机模拟技术，直观地再现了煤层气越流场与煤岩体变形场耦合效应的宏观变化特征，为地下煤层气越流场中邻近层煤层气涌出的预测和控制提供了可行的新方法。     

OPALINUS硬泥岩热反应的监控与模拟

目前，一些国家选择硬泥岩作为核废物地质深部处置的围岩。为深入理解硬泥岩在热-水-力（THM）耦合作用下的变化特征，在瑞士的Mont Terri地下岩石实验室对Opalinus硬泥岩进行了现场加热试验。该试验是利用-电加热器（直径=30cm，长度=5．4m）对硬泥岩进行了1a多的加热，然后降温0．5a。加热器表面的最高温度达100℃。在试验过程中，安装了80多个测试传感器对硬泥岩中的温度、孔隙水压、气体渗透以及变形进行了监控。通过观察发现围岩受热膨胀且产生明显的孔隙水压升高。距加热器约1m的区域，其孔隙水压从约1MPa增高到4MPa。最后对试验中观测的硬泥岩受热所产生的热-水-力全过程进行了模拟计算，并介绍了现场测量和数值计算的初步结果。     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。     

遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型及有限元分析

 建立一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。     

裂隙岩体的热-水-应力耦合模型及二维有限元分析

尝试将Barton-Bandis模型和Oda的裂隙张量理论结合起来应用于饱和-非饱和裂隙岩体中热-水-应力耦合过程的计算分析,研制了相应的二维有限元程序,并列举算例比较了无、有多组裂隙岩体中的应力场、渗流场和温度场的分布及变化情况。由此看到:由于不连续面的存在减弱了母岩的刚度和增大了其透水能力,使得裂隙岩体中的应力集中程度降低和渗流速度提高,从而热源产生的热量可较快地被水流传输到周围区域中去,岩体中的温度和负孔隙水压力量值也相对较低。     

CO2注入引起井筒周围岩石损伤的热孔弹耦合分析

以岩石的耦合–去耦合解析为主线,在三场耦合方程中导入损伤变量,建立岩石损伤过程中的热孔弹耦合模型。通过把均质弹性介质材料的热孔弹耦合模型的有限元解同去耦合解析解的对比,验证有限元数值解的精确性。然后,利用该耦合模型研究CO2注入后井筒周围的应力状态和损伤情况。最后,针对服从Weibull分布的非均质岩石材料,研究CO2注入后非均质岩石渗流性质的改变。结果表明,超临界CO2的注入会对岩石的强度和渗透性产生影响,较高的注入速率会引起岩石的受拉破坏并导致拉伸损伤范围的扩大。非均质材料更容易发生岩石的损伤和渗透性增加。     

不同场热-水-应力耦合过程二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和-非饱和孔隙介质中的热-水-应力耦合模型和开发了相应的有限元程序.为验证本耦合模型及程序的可靠性和重点探讨不同场的热-水-应力耦合过程,以高放射性核废料地质处置的Prototype Repository Project(PRP)原位试验为模拟对象,对一个处置试验坑道近场进行了水单场、热-水耦合、水-应力耦合、热-应力耦合和热-水-应力耦合条件下的数值分析,考察了工程屏障及围岩中的温度、饱和度及应力的变化、分布情况,并得出了一定的认识.     

大体积混凝土温度控制技术研究

基于《大体积混凝土施工规范》(GB 50496—2009)对不同龄期混凝土拉应力的前期计算判断混凝土的防裂性能,通过分析工程数据、建立计算模型后,以各龄期混凝土的允许拉应力为条件,确定升温阶段的里表温差增量及降温阶段的综合降温差增量。将以上计算结果运用到后期控温阶段,达到方便验算、使前期理论计算与后期实际操作紧密结合的目的,从而更有效地控制裂缝的产生。     

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。