岩石应力-水力-化学耦合过程研究进展

首先介绍国际合作DECOVALEX计划的概况和研究进展，阐述中国参加该合作计划研究的必要性和重要意义。对国内外在岩石应力-水力-化学耦合过程方面的主要研究进展进行简略概述，并重点总结了DECOVALEX计划Task_B及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究课题组所取得的主要研究进展，包括：（1）开展了岩石应力-化学耦合条件下的单轴、三轴压缩试验、细观力学试验和CT扫描试验的系统研究和分析；（2）建立了岩石破裂过程的弹塑性和应力-渗流耦合细胞自动机模型，并用于对岩石声发射活动的Kaiser效应、Ⅱ类曲线的形成机制以及孔隙水压力对岩石力学性质的影响规律和细观机制进行了模拟分析等。上述研究成果对于岩石应力水力-化学耦合过程研究起到了积极的推进作用。     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

单裂隙花岗岩在应力–渗流–化学耦合作用下的试验研究

 通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

结晶岩开挖损伤区的温度–水流–应力–化学耦合研究

介绍国际合作研究计划DECOVALEX-THMC的TASK B关于结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的部分进展情况,给出结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的基本研究思路,以典型地下实验室(如瑞典Äspö硬岩实验室)的试验为基础,进行开挖损伤区的形成与演化机制规律分析,建立弹性、弹塑性、黏弹塑性的THMC分析模型,开发高效的数值分析软件系统,并分析结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合作用行为,通过各个研究小组背靠背的研究,然后进行成果对比、相关专家对分析结果的技术审查,以及修改和更新,以获得比较准确模拟结晶岩开挖损伤区的THMC模型。在此基础上,形成结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究工作指南,为高放核废物地质处置研究工作提供理论、方法和技术支持。     

应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统，可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验，实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件，应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s的相应的化学溶液中，对NaCl溶液(0.01 mol/L，pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较，受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用，而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

剪切过程中岩石裂隙的渗流与 应力–应变耦合分析

 首先，考虑不同法向应力，建立岩石裂隙剪切应力和剪切变形的关系，其中对裂隙的弹性矩阵进行修正，并用三段函数关系分别描述岩石裂隙剪应力与剪切变形的3个阶段：剪缩阶段，剪胀至峰值阶段以及残余抗剪强度阶段。然后，结合三阶段裂隙剪切变形与其开度的关系，应用复合单元法，建立剪切过程中岩石裂隙渗流与应力–应变的耦合机制，研究裂隙的剪切变形、开度、导水系数、渗流场和应力场的变化与相互关系。算例分析表明：当裂隙中“充填介质”的力学参数保持不变时，通过裂隙的流速也基本保持不变，不随剪切变形以及法向应力的变化而改变，但由于裂隙开度的变化，故通过裂隙的单宽流量也随之改变；法向应力越小，裂隙的剪胀效应越大，且岩石裂隙的剪切变形对通过裂隙的单宽流量的影响也越大。     

尤卡山坑道规模试验热–气–应力耦合过程 的离散元模拟

 简述二维离散元程序UDEC4.0中求解热–水–应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理。针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验,使用UDEC程序进行热–气–应力耦合过程的数值模拟,分析坑道周边的位移、主应力、节理开度、气压力及气体流速的变化;并将本计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果进行比较。结果表明,三者温度、应力的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性上较为一致,在定量上加热时间短时二者差别较明显,但在同样的数量级内,加热时间长时本计算和LBNL计算所得的位移值与实测结果的接近程度大体相当。从而可以认为使用离散元方法对核废料地质处置中的热–水/气–应力耦合过程进行模拟是可行的。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统,可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验,实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件,应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s 的相应的化学溶液中,对NaCl 溶液(0.01 mol/L,pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较,受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用,而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

双联动软岩渗流–应力耦合流变仪的研制

 为研究软岩的长期力学特性,研制双联动软岩渗流–应力耦合三轴流变仪。该仪器特别适用于软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性。仪器采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,能自动稳压、自动记录应力–位移曲线、温度历时曲线。设备除了能够实现普通三轴试验机的功能,由于其独特的设计形式,还可以同时对2个试样实现相同轴压、不同围压、相同水压的力学试验;可以进行围压控制、孔隙水压力控制,同时可以测量孔隙水压力等等。使用情况表明,该试验装置结构简单,稳定性好,精度高,是一套功能齐全、使用方便的试验装置。     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

黏土垫层水力–力学–化学耦合模型研究

在城市固废堆场建造运维、污染场地土壤、地下水围封阻隔等环境岩土、污染防治领域中,均会涉及到土体力学行为、孔隙水流动以及污染物运移之间的耦合作用问题。将土体的固结变形分为由力学荷载引起的力学固结变形及由化学荷载引起的化学–渗透固结变形,引入广义达西定律,并考虑土体物理特性和输运性质的动态变化,通过理论推导建立了适用于堆场黏土防渗垫层的水力–力学–化学耦合模型,模型最大的特点是实现了土体固结变形、孔隙流体流动与污染物运移过程之间的全耦合,各模型参数均能够体现耦合效应的影响。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所建模型进行数值验证和求解,模拟结果表明:所建模型可从机理上描述水力–力学–化学全耦合过程,模拟结果与Peters和Smith模拟结果吻合较好,能够正确揭示超孔隙水压力、污染物浓度时空分布及土体固结变形的演化规律。     

模拟岩石破坏过程的物理细胞演化力学模型

基于细胞自动机理论和遗传算法，提出了一种物理细胞演化力学模型(ECA)。该模型利用遗传算法搜索试验所得到的应力．应变曲线所对应的最佳能量耗散率，并且可以模拟岩石的非均质性、各向异性等特性；根据该模型得出的能量耗散率模拟得到的应力．应变曲线与试验曲线得到了很好地吻合。     

裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

DECOVALEX_IV TASK_D项目的热–水–力耦合过程的数值模拟

核废料地下处置系统研究的国际合作项目DECOVALEX(development of coupled models and their validation against experiments) 致力于高放射性核废料地质处置系统围岩中多个物理场的耦合过程研究和工程屏障的可行性评估。中国研究小组第一次参加DECOVALEX计划。介绍了其子课题Task_D的情况和阶段性研究结果，包括2种处置方式——瑞士FEBEX和美国Yucca Mountain类型的1×104 a以上的预测模拟及其比较分析。建立一套复杂的非饱和多孔介质中热液力(THM)耦合过程的非等温流动和形变控制方程，涉及到固、液、气三相和四种组分(固体骨架，水，干空气和水蒸汽)。其表现为相对独立同时又相互交叠的4类模型：(1) 考虑有效应力、热膨胀应力和膨润土的水膨胀应力变形模型；(2) 考虑水与蒸汽在蒸发凝结时物质交换的流动模型；(3) 包含蒸汽/干空气相对运动的蒸汽分子扩散和对流模型；(4) 三相局部非等温过程的热交换模型。在此基础上根据Task_D的设定要求简化为较为实用的方程，并发展了相应的程序对1×106 a THM耦合行为进行了预测模拟，其结果在2005年2月Task_D讨论会和DECOVALEX工作会议与多个国家相互独立的研究结果进行对比，吻合程度很高，这给模型的建立和程序发展都带来了信心。     

基于TOUGHREACT的岩石水力损伤耦合数值模型研究

从细观力学角度出发,充分考虑水-力耦合条件下岩石细观特征及其演化,结合热力学理论,建立基于TOUGHREACT的岩石细观水力损伤耦合数值模型.模型可较好地考虑任意微裂纹滑移剪胀、损伤扩展和法向压缩闭合等细观力学行为对岩石宏观变形破坏、渗透性演化和水流运动过程的影响.采用室内煤岩注水破坏试验成果对数值模型的正确性和有效性...     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。