非均质随机分布对岩石热破裂影响的数值试验

采用随机固热耦合数学模型及有限元分析方法,仅将热膨胀系数和热传导系数作为随机变量,在正态和韦泊两种随机分布下,采用平面应变模型,对热应力引起的岩石热破裂的变化进行了详细研究,模拟了岩石热破裂的整个过程,揭示了概率分布形式、分布参数m对岩石热破裂的影响,讨论了岩石热破裂与时间t的关系,温度与参数m的关系,温度与时间的变化规律,并研究了热破裂率随时间和温度的变化规律。     

岩体介质的随机固流热耦合模型

考虑岩体介质是由基质岩块与裂缝组成的结构体,采用岩体结构力学的研究方法,针对岩石矿物组分及其分布的不同,将物理力学参数作为随机介质,建立了岩体介质的三维随机非均质固流热耦合数学模型,介绍了随机有限元计算方法,深入分析了随机固流热耦合模型的特点,该模型是经典固流热耦合数学模型的扩展,为岩石热破裂数值实验的研究提供了理论基础及其方法。     

岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下：（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

岩石流-固耦合实验研究

应力与岩石的变形破坏和渗透特性关系密切。实验结果显示,一方面,岩石破坏前后其渗透性达到最大,渗透率变化与岩石性质有关,砂岩的变化服从指数函数关系,泥质砂岩、砂质泥岩或者泥岩服从抛物线型函数关系;另一方面,在大多数情况下,应力变化仅导致岩石微小变形而并未破坏。渗透性随有效应力变化,并且与岩石空隙形状有关,岩石空隙形状包括三重孔隙介质,分别为基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙。裂缝性岩心的渗透率和孔隙度损失较孔隙性岩心、毛细管型岩石损失大,渗透率的变化总是大于孔隙度的变化。孔隙岩块的孔隙度和渗透率随有效应力的变化关系符合指数型数学模型,裂缝型岩石宜用幂指数型数学模型描述,毛细管型岩石则用二次抛物线数学模型描述较为恰当。     

峰值破裂岩石的气体渗透性试验研究

为了测试采矿工程中峰值破裂岩体的气体渗透特性,设计了与气体渗透系统相配套的气体渗透仪。对淮南顾桥矿采集的标高?653～?771 m的煤系岩石制成的标准岩样,先利用MTS815系统加压至峰值强度,而后测试其气体渗透性能。理论分析了一维非Darcy渗流过程及该情况下的渗透率求解方法。试验结果表明,即使位于深部,岩石破裂后的渗透率也比完整时大103～106个数量级,同时,破裂砂岩的渗透率要比同标高的破裂泥岩高。     

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。     

基于热-流-固耦合模型的石油钻井施工过程数值分析

岩土介质多场耦合问题需考虑诸多因素,温度、渗流及应力之间的耦合关系复杂,试验条件不易控制,且难以实现,因此,辅以数值模拟手段具有重要的意义。基于混合物理论,推导出岩土介质温度、渗流和应力耦合的数学模型及其控制方程,提出该数学模型的求解方法,以MATLAB语言为平台,将Abaqus程序作为一个模块嵌入迭代算法程序中,编制了多场耦合分析程序,并给出了2个典型算例验证该方法的有效性和实用性。然后,将建立的多场耦合模型和计算程序应用于石油钻井施工过程的模拟,重点分析井壁围岩内温度场、渗流场和应力场的变化规律,以及钻井液温度的变化对井壁稳定性的影响。研究成果对我国地下石油、核废料储存等工程设计和施工具有一定的指导意义。     

沉积盆地异常超压与岩石破裂耦合动力学模型综述

在回顾沉积盆地异常超压成因机制模型基础之上，讨论了构筑其模型的基本要素：封盖（层）的渗透率和化学增压的耦合，并通过动力学分析给出了异常超压与岩石破裂的耦合过程引起压力封礅箱内破裂一泄压－愈合－增压作用的动力学状态判据。     

A three-dimensional heat transfer and thermal cracking model considering the effect of cracks on heat transfer

A simple three-dimensional heat transfer model is developed to consider the hindering effect of cracks on heat transfer. The 3D heat transfer model can also be applied to numerical methods such as the combined finite-discrete element method (FDEM), discrete element method (DEM), discontinuous deformation analysis (DDA), the numerical manifold method (NMM), and the finite element method (FEM) to construct thermo-mechanical coupling models that allow these methods to solve thermal cracking problems and dynamically consider the hindering effect of cracks on heat transfer. In the 3D heat transfer model, the continuous-discontinuous medium is discretized into independent tetrahedral elements, and joint elements are inserted between adjacent tetrahedral elements. Heat transfer calculations for continuous-discontinuous media are converted to heat conduction in tetrahedral elements and the heat exchange between the adjacent tetrahedral elements through the joint element. If the joint element between adjacent tetrahedral elements breaks (ie, a crack generates), the heat exchange coefficient of the joint element is reduced to account for the hindering effect of cracks on heat conduction. Then the model and the FDEM are combined to build a thermo-mechanical coupling model to simulate thermal cracking. The thermally induced deformation, stress, and cracking are investigated by the thermo-mechanical coupling model, and the numerical results are compared with analytical solutions or experimental results. The 3D heat transfer model and thermo-mechanical model can provide a powerful tool for simulating heat transfer and thermal cracking in a continuous-discontinuous medium.     

花岗质岩浆侵位对围岩裂隙发育和热结构影响的数值模拟

岩浆侵位会引起围岩的接触变质作用和变形，虽然围岩中的破裂提供了流体活动和元素迁移的重要通道，但是大多数岩浆侵位模型忽略了围岩中热对流的影响。本文总结了岩浆侵位的数值模拟原理和常用模拟方法，然后使用离散元软件MatDEM建立了二维的双层围岩模型和均质围岩模型，用孔隙密度流法模拟花岗质岩浆侵位和冷却过程中岩浆与围岩之间的流- 固- 热- 力耦合过程。结果表明岩浆侵位过程中围岩的裂隙发育和热对流对接触变质晕具有重要影响，围岩的裂隙发育和热传输模式可分为三个阶段：① 岩浆侵位初期的挤压力使围岩中产生广泛分布的、呈径向展布的剪裂隙，围岩以热传导和孔隙渗流为主导；② 在持续的孔隙流体压下，径向裂隙连通形成主干张性断裂并向上扩展，成为熔/流体迁移的重要通道以及伟晶岩型和热液型矿床的成矿空间，通道流和局部热对流控制了围岩的热传输；③ 在岩浆侵位后期，岩浆房附近围岩中的孔隙流体压增大，在侵入体与围岩的接触带形成大量张裂，加强了变质晕内的热对流，有助于矽卡岩型矿床的形成。与只有热传导的模型对比，热对流使围岩中变质晕的宽度减小。接触变质晕的几何形态受侵入体的形态控制，但是变质晕宽度在空间上有显著差异。本研究为重建岩浆侵位过程中的变质- 变形- 成矿作用提供了新方法。     

渗流-水平井流耦合数学模型和数值模拟

在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流-光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。     

裂纹方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型试验和数值模拟方法,研究单轴压缩载荷下带裂纹直墙拱形隧道在不同的裂纹面与隧道垂直边墙之间的夹角 时围岩损伤破坏规律。试验采用水泥砂浆制作成具有不同夹角 的直墙拱形隧道模型,养护30 d后进行加载。数值模拟采用混凝土损伤塑性模型,计算出隧道周边各点的应力和裂纹尖端的应力强度因子,与模型试验结果吻合较好。结果表明,拱肩处的裂纹会降低隧道的整体稳定性及强度,在裂纹尖端及侧壁产生很大的应力集中,但随着 角度的变化,强度降低的程度有所不同;当 = 60?和 = 130?时,裂纹对其整体稳定性及强度的影响最大,其裂纹尖端的应力集中现象最为明显,而且破坏应力峰值仅为无裂纹模型的40.9%和41.8%。     

地下含水层储能两阶段热量运移数值模型研究

为了简单而准确地预测地下含水层储能情况,考虑了地下含水层储能过程时间跨度大、储能保温分阶段的实际特点,分析了地下含水层流动和换热模型物理参数的对比特点,以热平衡和热扩散原理为基础,建立分成两个连续阶段的地下含水层储能数值计算模型.模型求解中,采用控制容积法,以全隐格式进行热扩散方程的离散化,然后应用Jacobi方法迭代求解,模拟结果和实际观测数据吻合很好.该模型还分析了含水层储能循环采灌过程中抽出储能水的温度变化的一般特点.     

共和隧道开裂段页岩蠕变本构试验及离散元数值模拟研究

渝湘高速公路共和隧道地质条件十分复杂,隧道施工遇到很大困难,隧道开挖后初期支护多处出现纵向开裂。开裂段围岩为砂质页岩,现场实际监测资料表明,页岩层理、节理发育,易风化,亲水性较强,有水软化倾向并具有一定蠕变性。页岩的这些性质对隧道初期支护效果及隧道长期稳定性具有重要影响。鉴于此,对共和隧道页岩进行蠕变试验,通过系列试验得到不同应力水平下页岩的应变-时间关系曲线,建立与之适应的蠕变模型,并推导出蠕变公式,计算出公式中相应参数值。在此基础上,应用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行研究,分析了隧道围岩可能的破坏模式以及隧道锚杆支护结构的受力情况等。研究成果为隧道开裂段初期支护结构新方案的设计提供了重要支撑,成功地解决了隧道初期支护纵向开裂的工程难题。     

桩间土拱效应离心模型试验及数值模拟研究

抗滑桩的设计理念是采用非连续结构,利用土体自身强度形成的拱效应来达到支挡的目的。通过离心模型试验,对抗滑桩加固滑坡形成土拱效应的现象进行研究,再现了桩间土拱形成的现象及其破坏模式。根据试验现象提出两种典型的土拱破坏模式,即拱顶发生破坏和拱脚发生破坏,并提出改善拱脚受力,防止土拱拱脚发生破坏的工程措施。基于离心模型试验,采用二维颗粒流方法对桩间水平土拱的应力分布和破坏过程进行数值模拟分析,提出土拱破坏的判别标准为抗滑桩所承担的荷载发生急剧变化,此时土拱传递荷载的功能部分失效,并研究了桩间土拱承载力与桩间净距的关系。随着桩间净距的增大,土拱承载力变化的趋势并非线性的减小,当桩间净距增大到一定程度后,土拱承载力会急剧减小,由此可合理确定桩间距的范围。