裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合三维数值模拟

在深入论述高温岩体地热开发研究与发展现状的基础上，提出了高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合数学模型及其数值模拟方法，提出了该数学模型详细的求解策略与求解方法，对6000m深的高温岩体地热开发进行了详细的数值分析，揭示了：（1）岩体温度随地热提取降低及其分布变化的规律；（2）岩体中基质岩块内、裂缝内应力随地热提取的降低规律；（3）裂缝宽度随地热提取变化的规律，对高温岩体地热开发决策、技术方案选择提供了理论基础及其方法。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。     

随机介质固热耦合数学模型与岩石热破裂数值实验

对高放射性核废料的深层处置、高温岩体地热资源开发等深部开采工程问题中,由于岩石材料的非均匀性、非连续性、以及几何结构的复杂性,迫切需要研究工程围岩在高温下的物理力学性质和力学行为的长期演变规律,因此,本文从岩石介质的非均匀性特征入手,在引入岩石非均匀性细观统计描述和物理学愈渗理论的基础上,主要研究内容如下:(1)考虑岩石颗粒的物理力学性质的随机非均匀性,从理论上建立了三维随机非均质热弹塑性力学模型和随机介质固热耦合数学模型,并推导随机介质模型的有限元数值解法。这些方法奠定了岩石热破裂研究的基础。(2)对岩石随机介质的热弹性力学模型的平面轴对称问题和球对称问题分别进行解析分析,提出了将岩石物理力学参数作为随机变量在解析分析中的处理方法,并给出在随机指数分布和韦泊分布下的解析解;对随机介质固热耦合数学模型的平面轴对称问题也求出了解析解,包括位移、变形和热应力的精确解。(3)在二维随机非均质热弹塑性力学模型和4种随机分布(均匀分布、指数分布、正态分布和Weibull分布)下,在高温条件下,对热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值温度的变化做了详细研究,揭示了岩石热破裂规律及门槛值温度随分布参数的变化规律,得出结论:岩石热破裂门槛值温度随分布参数的增加而升     

岩体结构类型与水力学模型

 岩体水力学是一门研究岩体内一定温度条件下渗透力与应力相互作用关系及其耦合作用对岩体及岩体工程稳定性影响的交叉学科。为了准确描述岩体的水力学问题, 定义了有关名词。依据岩体的水力学特征, 把岩体的结构分为五类, 即: 准孔隙连续介质、裂隙网络介质、双重介质、岩溶管道网络介质以及岩溶溶隙- 管道介质。以岩体结构类型、达西定律、立方定律等为基础, 推导了在变温度和变应力条件下的孔隙型、裂隙型及管道型岩体的渗透定理, 并将岩体渗流场、温度场与应力场耦合模型分为两大类, 即: 集中参数型模型和分布参数型模型。     

多孔介质多场耦合作用理论 及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应.介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题.较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题.     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

高温岩体地热钻井施工关键技术研究

 高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施工。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征,在试验研究、理论分析和数值模拟的基础上,提出高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。进而从高温岩体地热开采中钻井围岩失稳的主要因素、热力耦合作用下钻井围岩流变特性、高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件,提出高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。通过对高温高压下花岗岩中冲击破岩、切削破岩、冲击–切削复合破岩的试验研究及不同温度下3种破岩方式的比较,获得高温高压下3种破岩方式的破岩规律。最后从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁稳定的影响及应对措施,提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井液技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究,对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。     

高温焊接温度场及应力场的数值模拟

建立了高温焊接工艺数值模拟模型,对在不同温度下高温焊接的温度场和焊接残余应力场进行了数值模拟。结果表明:500℃,600℃和700℃温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为:57.3%,73.1%和81.3%,横向残余应力的降低幅度分别为:17.6%,36.9%和63.8%;高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化,温度越高,应力分布也越均匀。     

基于岩体地下流固耦合理论的研究

本文通过对渗流场、应力场与温度场三场耦合的研究得出三场耦合作用的"完全耦合"模式;通过对孔隙介质流固耦合研究得出在此种情况下应力与应变的关系;通过对裂隙岩体流固耦合研究得出了单一裂隙渗流与应力的关系;分析了裂隙岩体渗流与应力耦合的不同数学模型,得出各种数学模型的优缺点以及适用范围。     

随机非均质热弹性力学模型与岩石热破裂门槛值的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同，建立了随机非均匀介质的热弹性力学模型，给出了一般意义下的有限元分析方法。进而，仅考虑热膨胀系数为随机变量，在平面应力模型下，进行了岩石热破裂的数值试验，以花岗岩为样本，对均匀分布、正态分布、韦泊分布3种随机分布下热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值的变化做了详细研究。结果表明，热膨胀系数的概率分布形式对花岗石热破裂规律及门槛值温度有重要影响。     

非均质细胞元随机分布对高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究

在平面应变模型下,以花岗岩为样本,采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究。在指数分布、韦泊分布2种随机分布和温度的作用下,研究了材料非均质性对岩石介质中裂纹扩展的影响,并对岩石热破裂做了详细研究,揭示了概率分布形式、分布参数.时间与花岗岩样本的热破裂过程的变化规律。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

层状岩体的力学特性及数值模拟分析

本文在分析层状岩体力学特征的基础上 ,研究了层状岩体的数值模拟方法 ,并结合算例 ,分析了洞室开挖后岩体的变形特征。研究表明 ,层状岩体的力学特性因层面与主应力夹角的变化而变化 ,采用弹塑性接触面单元可较好地模拟层面的变形特性 ,层面的存在很大程度上影响洞室围岩次生应力的分布 ,使得洞室变形增大并且具有明显的不对称性     

热应力作用下的岩石破裂过程分析

热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。岩石热破裂研究的工程意义重大。根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。RFPA^2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

杂质对盐岩力学特性的影响研究

采用随机序列吸附方法(RSA),生成3种不同杂质含量且其位置和大小随机分布的含杂质盐岩平面有限元模型,研究其在单轴、三轴压缩荷载下的细观应力和变形特性,研究杂质颗粒形状、大小、含量、分布方式等对含杂质盐岩整体力学和变形特性的影响。研究结果表明:杂质和盐岩力学特性上的不匹配导致在杂质体内部以及界面附近存在较为明显的应力集中,杂质形状和大小不同,在杂质内部、界面以及盐岩中应力分布形式存在较大差异;杂质含量越大其盐岩基体中的应力分布越不均匀,当相邻杂质其距离较近时杂质外应力集中区域会相互连通,并相邻杂质之间的区域存在应力叠加现象,杂质形状、大小以及分布对应变分布的影响同样较大;杂质内部的应变均比盐岩应变小很多,当杂质间距较小时,在杂质之间的区域特别是竖向分布的杂质之间会形成应变集中叠加。     

土–石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

 土–石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为。从土–石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土–石混合体力学理论研究体系具有重要的意义。运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土–石混合体细观结构随机生成系统——R-SRM2D。基于R-SRM2D,从土–石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土–石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土–石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系。在理论上取得一些有意义的研究成果：随着含石量的增加,土–石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°－js/2)时,其抗压强度最小;土–石界面的胶结使得土–石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍。     

硬脆性岩石热–力–损伤本构模型及其初步运用

热力作用下岩石本构行为的研究对深部资源开采、地热资源开发、深埋长大地下工程设施建设等岩石工程问题具有重要意义。基于现有岩石损伤劣化统计本构模型研究,引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数,经过严密的数学推导,建立了考虑岩石起裂应力的热–力–损伤本构模型,并确定了其参数表达式。采用围压25 MPa、不同温度(20℃,60℃,130℃)条件下黑云母花岗岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够客观地反映岩石热力破裂应力应变全过程和残余强度,且参数物理意义明确。最后,将本构模型嵌入FLAC数值分析软件,对瑞典APSE隧道开挖过程的热力响应进行了数值分析,计算结果较好地反映了隧道现场围岩的破坏规律。