FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

水工隧洞衬砌水压致裂过程的渗流-损伤-应力耦合分析

基于弹性损伤理论和线弹性断裂力学理论,建立水工隧洞衬砌水压致裂过程中的渗流-损伤-应力耦合模型.模型采用增量变弹性损伤刚度有限元迭代法,在内水荷载逐级施加的过程中考虑损伤对于渗流的影响,可以较好地模拟在水工隧洞充水加压过程中,混凝土衬砌在应力场和渗流场耦合情况下的损伤演化及裂纹的产生、扩展的过程.工程算例结果表明:计算结果较为合理地反映高内水压力下水工隧洞衬砌的开裂规律.当水压致裂过程采用耦合模型时,衬砌的损伤演化和开裂对衬砌渗流场的影响不可忽略;由于内水外渗的的影响,衬砌的受力条件在一定程度上得到改善.     

基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型

 以改进刚体弹簧方法为基础,结合等效离散裂隙网络模型,提出二维岩石水压致裂模拟方法。水压和力学响应的相互作用通过Biot理论描述。同时,推导了弹性条件下厚壁圆筒水力耦合解析公式,通过与数值解的对比,验证了数值模型的准确性。将该数值模型用于平面应力条件下厚壁圆筒的水压致裂过程分析,重点探讨了Biot系数对水压致裂过程的影响。研究表明,Biot系数作为反映水力耦合效应的重要参数,对水压致裂过程中的位移和破坏强度有显著影响。     

岩石破裂过程渗流与应力耦合分析

通过对经典Biot渗流力学做进一步的考察 ,讨论了耦合渗流方程参数的物理意义 ,在Biot基本方程的基础上 ,增加一个反映渗透系数和孔隙变化率关系的耦合方程 ,并结合原有的RFPA弹性损伤本构方程 ,引入渗透率突跳系数 ξ这一概念 ,提出了岩石损伤演化过程渗流 -应力耦合方程 ,开发出岩石破裂过程渗流 -应力耦合分析系统F -RFPA2D,实例分析表明 ,这个系统能够对裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流 -应力耦合机制进行模拟分析     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

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。     

裂隙岩体渗流-损伤-断裂耦合分析与工程应用

综合运用岩体结构力学、几何损伤力学及岩石流体力学理论,建立裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型(扩展FLAC3D模型),在FLAC现有计算模块的基础上,通过Fish研制了其分析程序。该模型的耦合机理:渗透水力梯度作为渗透体积力作用于损伤应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩石裂纹的起裂,扩展导致岩体损伤演化;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加,导致渗流场的改变。对一复杂裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,得到不同蓄水时期,裂隙岸坡渗流场分布、损伤场的演化,初步探讨了水库蓄水过程中岸坡山体变形机制。耦合分析认为:山体变形是增量渗透力和增量浮托力共同作用于岸坡的结果;对蓄水相对高程较大的裂隙岸坡而言,库水位上升,裂隙渗透水压增加导致岩体裂纹起裂扩展,岩体损伤区增大且向岸坡深部扩展。高渗透压诱发岸坡不利断层带损伤区扩展,甚至贯通,可能是导致岸坡失稳的重要原因。     

可视化三轴渗流–应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流–应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流–应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流–应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流–应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。     

油藏渗流与应力耦合分析

基于岩石力学与渗流力学理论，考虑到油藏中多相渗流的特点以及渗流与应力的耦合效应，建立了油藏多相渗流与应力耦合分析模型，研究了渗流与应力的耦合规律，给出了实现耦合分析的方法与步骤，最后通过算例检验了耦合分析的有效性和实用价值。     

裂隙渗流对岩石边坡稳定的影响--渗流、变形耦合作用的DDA法

裂隙中的渗流是岩石边坡失稳的重要因素之一。在最近发展起来的离散型数值方法——DDA法的基础上，考虑裂隙网络中地下水的流动，以及渗流压力与岩石变形的耦合作用，从能量最小原理出发，推求了考虑裂隙渗流情况下岩石系统的瞬时平衡方程及对任意裂隙进行安全评价的局部安全系数。用该方法对日本某隧道的塌方事故进行了模拟分析，数值模拟再现了该隧道破坏的过程。模拟结果表明，由于连续降雨和表面结冰导致岩石裂隙中地下水位升高，过大的水压力致使隧道上部的垂向裂隙张开并向下扩展，最终导致整个岩坡的崩塌。研究结论与日本事故委员会的调查结果一致。     

水力压裂时岩石破裂压力数值计算

 以多孔介质流体渗流与岩石应力–应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

单轴–三轴和渗透水压条件下砂岩应变特性的CT试验研究

常规的应力应变试验难以清晰地反映砂岩在不同应力状态下的细观应变特性,然而,砂岩细观应变特性对一些工程的影响是非常巨大的。通过螺旋CT机以及与其配套的实时三轴加载和渗透压力设备对砂岩进行各种应力状态下的应变特性试验,反映出不同应力状态下的砂岩的应变特性有很大不同。结合CT图像和CT数的分析,对砂岩应变过程中的孔隙率的变化能直观地进行计算,以及对CT数方差的分析,能较简单地判断出砂岩的应变特性以及破坏模式。研究结果表明:(1)在单轴和三轴压力作用下,砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化,而方差比较稳定的地方发生塑性变化;(2)当有渗透水流作用时,砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异,峰值强度显著增大,残余强度也明显增加;(3)砂岩在单轴干燥状态下是发生脆性破坏,而在有渗透压力和围压的情况下发生的是塑性破坏,有围压而没有渗透压作用时的破坏介于两者之间。     

裂隙岩体渗流场与卸荷应力场耦合作用

通过对目前裂隙岩体渗流与应力耦合现状研究资料的查阅分析 ,采用现场数据采集 ,整理分析与模拟试验三者相结合的研究方法 ,建立裂隙岩体渗流场 -卸荷应力场的耦合作用模型 ,并通过现场数据与模拟试验对模型进行验证     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展

系统阐述了岩体渗流应力耦合作用的研究现状与进展,探讨了渗流应力耦合模型的建立方法及计算方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较,并提出耦合模型进一步研究的方向。