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。     

基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

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。     

基于经纬分析法研究热损伤岩石的非均匀性和各向异性

通过对岩石进行500℃高温的热处理,使岩石内部产生大量细观裂隙。采用电镜扫描观察热破裂岩石内部的细观裂隙分布并对细观裂隙进行重构,提出一种经纬分析法研究热破裂岩石细观裂隙的非均匀性和各向异性,并且确定了经纬分析法的最优网格间距。结果表明:网格间距显著影响热损伤岩石非均匀性分析结果的准确性,网格间距越小,准确性越趋于稳定。当网格间距为200μm时,既能保证非均匀性分析结果可信,又能提高分析效率。与此相对,网格间距对热损伤岩石各向异性分析结果的准确性不产生明显影响。通过对比分析,对于500℃高温热损伤花岗岩,采用200μm的网格间距最为经济合理。     

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。     

准脆性材料的物理力学参数随机概率模型及破坏力学行为特征

结合数值计算分析,讨论几种采用常见随机分布函数来实现的非均匀性弹性损伤模型,定义随机概率模型的非均匀性指标,并采用数值模拟方法研究这些随机分布函数的概率模型在载荷作用下的破坏过程,对比分析几种概率模型的合理性与适用性,同时也探讨物理力学参数随机分布的相关性的影响.研究结果表明,无论是采用哪种分布函数,比较均匀的试样强度较高,并且表现出具有更加脆性破坏特征,而随机分布模型中力学参数的相关性对材料的破坏力学行为影响很大;采用对数正态分布函数来描述岩石类材料的非均匀性比较合理,也可以纳入非均匀概率模型库中.相比较而言,Weibull随机分布模型具有物理概念清晰、应用较简单的特点.统计损伤理论中很难考虑破裂局部化等问题,基于统计理论上的数值计算实现简单方便,适用范围更广.在细观力学和统计强度理论基础上,将损伤力学与计算机技术相结合将是一种有前途的分析方法.     

非均匀性对砂岩宏观蠕变特性的影响

深部硬岩在开挖卸荷之后处于无侧限压缩状态下,岩体在持续高地应力作用下发生蠕变现象影响隧道的长期稳定性。本文通过室内试验获取试样的基本物理力学参数,以弹性损伤理论为基础,考虑非均匀岩石介质蠕变破裂特性,通过RFPA2D-creep软件建立模型分析岩石材料非均匀性对蠕变过程的影响。结论表明,岩石的宏观破裂是内部细观单元损伤累计的结果,岩石的非均匀性对宏观破裂影响在较大荷载下可以忽略,此结论对于探究岩石非均匀性影响岩石宏观破裂特性规律具有重要的学术研究价值和工程实践意义。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。     

开度相关模型在岩石热开裂问题中的应用

岩石内部原生裂隙会阻碍热流的传导同时重新分布温度场,进而影响岩石内部热应力分布状态并导致岩石的开裂,因此对复杂多裂隙岩石在高温状态下热传导及热开裂机制的探究具有重要的意义。利用颗粒流程序对岩石内部的动态传热–破裂过程进行了模拟。首先,考虑到岩石内部矿物组分的不同,故选用团簇模型对岩石内部的细观结构及组分分布进行表征,并以此作为基准模型进行细观力学参数的标定。其次,为了更真实地模拟岩石内部裂隙对热传导及热开裂过程所造成的影响,假设裂隙的热力学特性同开度相关,并利用不同裂隙开度条件下宏观参量的解析解对裂隙的热参数及细观力学参数进行标定,进而提出裂隙热参数及细观力学参数开度相关模型。最后结合随机裂隙网络,探究了在不同形状参数m的作用下裂隙开度分布对岩石热传导及热开裂过程的影响。研究结果表明:随着形状参数m的增大,热传导达到稳态所需的时间逐渐减小,热致裂纹萌生速率增大,由此也验证了开度相关模型在模拟复杂多裂隙岩石热传导及热开裂问题中的可行性。