热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔（裂）隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：3种工况的计算域中温度场基本相同;孔（裂）隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力（化学）溶解的共同作用下闭合量最大,负孔（裂）隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。     

应力腐蚀和压力溶解引起的裂隙开度-刚度变化对THMM耦合过程影响的数值模拟

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,考虑裂隙闭合量对裂隙刚度的影响,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况：（1）裂隙的刚度系数是裂隙闭合量的线性函数;（2）裂隙刚度为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的二维有限元数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔（裂）隙水压力、地下水流速、核素浓度、裂隙刚度和正应力的变化、分布等情况。结果表明,两种工况岩体中的温度场、孔（裂）隙水压力、地下水流速、核素浓度无明显差别;裂隙闭合基本由应力腐蚀产生;在相同计算时间内两种工况的裂隙闭合量较为接近,工况1略大;工况1中离玻璃固化体越近,裂隙刚度值越高,并且在玻璃固化体附近的应力值较大,且集中程度较高。     

考虑饱和度修正的应力腐蚀和压力溶解作用热-水-应力耦合过程有限元分析

针对笔者开发的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力（T-H-M）耦合二维有限元分析程序中使用的应力腐蚀和压力溶解模型,引入水饱和度修正因子。以一个假设的位于含水地层中的高放废物地质处置模型,拟定3种初始裂隙水饱和度的计算工况（Sw20=1.0、0.8、0.2）进行热-水-应力耦合的数值模拟,考察岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布等情况。结果显示,随着初始裂隙水饱和度的由高值到低值,应力腐蚀和压力溶解产生的闭合速率从大变小,裂隙开度由初始值趋于残余值,粗糙面接触率由初始值趋于其名义接触率的时间也增加,裂纹应力强度因子的下降亦变慢;近场的裂（孔）隙水压力的变化、分布及其流速矢量场的形态有明显的不同;3种工况的岩体中的应力量值及分布的差别不大。     

应力腐蚀和压力溶解作用下双重孔隙岩体中 THMM耦合过程的有限元分析

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,将溶质浓度场引入笔者已开发的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合的二维有限元分析程序中,针对一个假设的位于非饱和岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置库,拟定2种计算工况：（1）裂隙开度随应力腐蚀和压力溶解而变化（基岩的孔隙率亦是应力的函数）;（2）裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔（裂）隙水压力、地下水流速、核素浓度和应力的变化、分布等情况。结果主要显示：应力腐蚀引起的闭合速率要高于压力溶解引起的闭合速率6个数量级,且两种因素产生的闭合速率随时间先增加后减小,并趋于稳定;当考虑应力腐蚀和压力溶解时,近场的负裂隙水压力上升很高;工况1中裂隙开度和孔隙率减小,使得相应的渗透系数降低,故该工况的裂隙和孔隙中核素浓度较工况2为高;由于不计入负的孔（裂）隙水压力对应力平衡的影响,2种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。     

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元（REV）中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔（裂）隙水压力及流速、孔（裂）隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。     

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化     

裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为了探讨在法向应力和剪应力的共同作用下裂隙开度的变化对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,引入裂隙的渗透系数与开度关系的“立方定律”,建立了裂隙渗透系数演化式。应用开发的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合二维有限元程序,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,分别在2组裂隙斜交和正交的条件下,针对与裂隙开度3种计算方式对应的6种工况进行了数值分析,考察了围岩中的温度、孔隙和裂隙水压力、裂隙开度、裂隙的渗透系数、地下水流速、应力的变化、分布状态。结果显示,当裂隙开度仅取决于法向应力时,裂隙开度受压应力作用产生的闭合量最大,从而裂隙水压力最高;而当裂隙开度是法向应力和剪切位移的函数时,由于“剪胀”效应,裂隙开度闭合量较前述情况为小,裂隙水压力居中;而当裂隙开度是常数时,裂隙水压力最低     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合影响的数值模拟

在自主研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型,针对一个假设的实验室尺度且位于非饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况：（1）孔隙率和渗透系数是压力溶解的函数;（2）孔隙率和渗透系数均为常数,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明：工况1计算终了时,压力溶解使得孔隙率和渗透系数分别下降到初始值的43%～54%、4.4%～9.1%。在核废料释热温度场的作用下,工况1、2中的负孔隙水压力分别为初始值的1.00～1.25倍、1.00～1.10倍,前者表现了压力溶解的明显影响;两种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。     

基于裂隙岩样的多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变曲线研究

在岩土工程中,裂隙岩体经常处于峰后变形状态,研究裂隙岩体的峰后应力-应变关系对预测结构的稳定性有重要意义。基于峰后软化阶段强度参数的逐渐演化行为,首先提出一个求岩石峰后应力-应变关系和裂隙峰后应力-切向位移关系的一般方法。然后采用摩尔-库仑强度准则,以岩石的最大主应变和裂隙的切向位移作为软化参数,假设强度参数为软化参数的分段线性函数,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况,提出多组贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系式的求法。最后,在算例中,分岩体沿裂隙滑移破坏和沿岩石剪切破坏两种情况给出了裂隙岩体的峰后应力-应变曲线,讨论了裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度对峰后应变的影响。结果表明,裂隙的平均间距、法向刚度和剪切刚度越小,裂隙岩体的轴向应变越大。     

考虑动力压力裂隙网络岩体渗流应力耦合分析

渗流对裂隙网络岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动力压力（裂隙壁切向拖曳力）两部分。较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系，同时考虑渗透静水压力和切向拖曳力的作用，以裂隙（等效）隙宽与岩体应变的关系为桥梁，建立隙裂网络岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型，并采用有限元数值方法进行某工程实例的双场耦合分析，验证所建立模型的可靠性。     

塑性扩容梯度对孔隙介质岩体中T-H-M耦合作用的二维有限元分析

由双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型退化为单一孔隙介质模型,将其与岩体扩容梯度引入笔者所研制的二维有限元程序中,使用Mohr-Coulomb准则,计入塑性扩容对岩体孔隙率及渗透系数的影响,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和孔隙介质岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定不同扩容梯度值的5种工况,进行4年处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、正应力、塑性区、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速的变化、分布情况。结果主要显示,相比于不考虑扩容梯度的工况,考虑扩容梯度工况的正应力、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力和地下水流速等的分布与塑性区的分布有明显的对应关系,呈现了某种"剪切带效应";正应力量值、塑性区面积、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速等均随所取扩容梯度值的变大而增加。     

模拟岩石节理试样剪切变形特征和破坏机制研究

通过RMT－150C电伺服试验机,利用人工浇注素混凝土节理试样进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角情况下的剪切试验,研究了节理破坏模式和刚度特征及其与起伏角、剪切变形速率和法向应力之间的关系。研究结果表明,试样破坏模式主要受起伏角控制,小起伏角情况下节理呈现磨损破坏模式,大起伏角情况下节理呈现剪断破坏模式,法向应力和剪切变形速率对节理破坏模式有一定的影响;节理的剪切刚度随剪切变形速率和起伏角的增大而增大,增大幅度随变形速率的增大有减小趋势;节理的剪切刚度随法向应力的增大而增大,基本呈线性关系。提出了考虑剪切速率和起伏角度影响的节理剪切刚度公式,并根据试验结果对剪切刚度公式进行了拟合。     

Mechanical Behavior of Methane Infiltrated Coal: the Roles of Gas Desorption, Stress Level and Loading Rate

We report laboratory experiments to investigate the role of gas desorption, stress level and loading rate on the mechanical behavior of methane infiltrated coal. Two suites of experiments are carried out. The first suite of experiments is conducted on coal (Lower Kittanning seam, West Virginia) at a confining stress of 2 MPa and methane pore pressures in the fracture of 1 MPa to examine the role of gas desorption. These include three undrained (hydraulically closed) experiments with different pore pressure distributions in the coal, namely, overpressured, normally pressured and underpressured, and one specimen under drained condition. Based on the experimental results, we find quantitative evidence that gas desorption weakens coal through two mechanisms: (1) reducing effective stress controlled by the ratio of gas desorption rate over the drainage rate, and (2) crushing coal due to the internal gas energy release controlled by gas composition, pressure and content. The second suite of experiments is conducted on coal (Upper B seam, Colorado) at confining stresses of 2 and 4 MPa, with pore pressures of 1 and 3 MPa, under underpressured and drained condition with three different loading rates to study the role of stress level and loading rate. We find that the Biot coefficient of coal specimens is <1. Reducing effective confining stress decreases the elastic modulus and strength of coal. This study has important implications for the stability of underground coal seams.     

Effects of temperature on strength and compressibility of sand-bentonite buffer

Dense sand-bentonite buffer (γ_d = 1.67Mg/m³) has been proposed in Canada as one of several barriers for isolating nuclear fuel waste. The buffer will be required to function under conditions of high total pressures and elevated temperatures approaching 100°C. Summary results are presented from two test programs: (1) isothermal consolidated undrained triaxial (CIU¯) tests; and (2) isothermal drained constant-p′ (CID) triaxial tests. Specimens were consolidated at effective stresses up to 9.0 MPa and temperatures up to 100°C.

The results indicate parallel hardening lines at systematically lower values of specific volume at elevated temperatures. In shear, increased temperatures produced lower values of maximum deviator stressq_f, and higher pore water pressure changesΔu_f. The net result is curved peak strength envelops in plots ofq_f versusp_f′ that are higher at elevated temperatures, even though the strengths,q_f of individual specimens are lower. The critical state strength envelope is curved inq, p′-planes.

The effect of drained heating on buffer to 100°C is not marked. Compressibilities, stiffnesses, strengths, and pore water pressure generation are all affected, but none of the changes are great.     

Effects of non‐uniform traction and specimen height in the direct shear test on stress and deformation in a rock fracture

In the direct shear test (DST), an internal moment is distributed within the rock specimen by non‐coaxial shear loads applied to the specimen, which cause non‐uniform distributions of both the traction on the loading planes and the stress and deformation in the specimen. To examine the validity of the DST for a rock fracture and to clarify the effect of specimen height, both the stress and deformation in a fracture in the DST were analyzed for specimens with three different heights using a three‐dimensional finite element method with quadratic joint elements for a fracture model. The constitutive law of the fracture considers the dependence of the non‐linear behavior of closure on shear displacement and that of shear stiffness on normal stress and was implemented in simulation code to give a conceptional fracture with uniform mechanical properties to extract only the effect of non‐uniform traction on the stress and deformation in the fracture. The results showed that both normal and shear stresses are concentrated near the end edges of the fracture, and these stress concentrations decrease with a decrease in the specimen height according to the magnitude of the moment produced by the non‐coaxial shear loads. Furthermore, although closure is greater near the end edges of the fracture, where normal stress is concentrated, this concentration of closure is not so significant within the range of this study because of the non‐linear behavior of closure, that is, closure does not significantly increase with an increase in normal stress at large normal stresses. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.