弹塑性条件下岩土孔隙介质有效应力系数理论模型

分析了有效应力系数的物理机理及其主要影响因素,在此基础上,提出了等效孔隙连通率的概念,以此表征岩土类孔隙介质的结构和孔隙之间的连通性,建立了有效应力系数张量演化的普适性理论模型。基于大理岩峰后和砂岩不同塑性变形阶段的有效应力测试试验,分析了塑性条件下影响有效应力系数的主要因素,结果表明塑性条件下,影响有效应力系数的主要因素为等效孔隙连通率。利用试验数据,通过拟合得到了大理岩和砂岩的等效孔隙连通率随应变的演化规律,从而得到了有效应力系数与变形的关系。研究成果为弹塑性条件下的流固耦合研究提供了基础性的理论和方法支持。     

孔隙气压对核废物地质处置热-流-固耦合影响的有限元分析

为考察孔隙气体压力对高放废物地质处置中的热-流-固耦合过程的影响,借用Leiws等建立的可变形孔隙介质中非等温空气流和水流模型,在其水连续性方程中加入了温度梯度引起的水分扩散项,研制出相应的热-水-气-应力耦合弹塑性二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库模型,在相同的初始温度、孔隙水压力和岩体应力条件下,取3种缓冲层中的初始孔隙气体压力,通过数值模拟考察了处置库近场的主应力、饱和度、气和水的流速、温度和孔隙压力的分布与变化。结果显示,当缓冲层中的初始孔隙气压力较高时,其对围岩中应力影响较大。     

含裂隙饱和多孔介质流-固耦合的扩展有限元分析

基于应力平衡方程、渗流连续性方程以及改进的Biot有效应力原理,建立了含裂隙可变形饱和多孔介质流-固全耦合问题的控制方程。流体在介质和裂隙中的流动均满足达西定律,得到的非线性全耦合方程不仅反映多孔介质内部物理量的耦合效应,还考虑介质与裂隙之间的耦合作用。扩展有限元法在处理含裂隙问题时具有独特的优势,采用普通有限元和扩展有限元法构建了数值计算体系。在进行空间离散时,介质内部的位移和孔隙压力均采用普通的有限元进行离散;裂隙处的位移模式引入扩展有限元中的两类附加位移函数,以反映裂隙面的位移强不连续性和裂隙端部的应力奇异性;引入孔隙压力加强函数,以体现裂隙法向孔隙压力的弱不连续特征。使用向后差分格式进行时间离散。算例验证了该模型和算法的正确性和有效性,分析了裂隙的存在对流体流动的延迟作用、裂隙中张开位移及孔隙压力等物理量的分布情况,讨论了渗透率、外部流量的改变对计算结果的影响。     

考虑孔隙变形的孔隙介质本构关系初探

孔隙存在是孔隙介质材料结构的本质特征,它决定了孔隙介质的本构关系呈现更为复杂的性质。首先给出了孔隙介质的视应力、视应变、骨架实际应力和骨架实际应变的定义,并在理想孔隙介质的物质模型假定下讨论了理想孔隙介质的本构关系,表明即使孔隙介质的骨架结构满足虎克弹性体本构关系的假定,即假定骨架的实际应力与实际应变之间呈现线性关系,但由于孔隙的存在,孔隙介质的视应力与视应变之间还是呈现非线性,说明应力与变形之间的非线性是孔隙介质的固有特性。     

不同应力路径下水土耦合超固结黏土分叉分析

基于超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出水-土耦合部分排水条件下饱和黏土应变局部化的萌生条件,求出在不同应力路径下,单相和水-土耦合条件下超固结土分叉的三维解析解和数值解。理论分析表明,应力罗德角 为-30°、15°和30°时,无论是单相条件,还是水土耦合两相介质条件,该模型均无分叉现象产生;应力罗德角为0°时,单相条件下该模型有分叉现象产生,水土耦合不排水条件下该模型无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下分叉与否则与参数选取有关;应力罗德角为-15°时,无论是单相条件,还是水-土耦合条件,该模型均有分叉现象产生。利用嵌入了上述本构模型的有限元软件ABAQUS,对单相和水-土耦合条件下的多单元立方体应变局部化分叉现象进行数值分析。分析表明,在应力罗德角为 30°时,单相条件和水土耦合条件下都无分叉现象产生;应力罗德角为15°时,单相条件下有分叉现象产生,水-土耦合不排水条件下无分叉现象出现,水-土耦合部分排水条件下何时分叉则与渗透系数大小有关;应力罗德角为-15°和0°时,单相条件和水土耦合条件下该模型均有分叉现象产生。同一应力路径下数值解相对于理论解更易出现分叉。     

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

一种适用于孔隙体积应变的有效应力方程

土力学奠基石Terzaghi有效应力原理被广泛应用于油藏孔隙和渗透率应力敏感研究中,然而其对于岩石孔隙体积应变的适用性存在争议。对颗粒不可压缩和颗粒可压缩的多孔介质分别进行了受力分析,推导了总体积、颗粒骨架、孔隙体积的有效应力表达式,与Biot、Skepmton有效应力方程对比,建立了适用于孔隙体积应变的新型有效应力方程,并进行了试验论证和应用举例。研究表明:在颗粒不可压缩多孔介质中,有效应力为超出平衡孔隙流压之外的颗粒间宏观等效应力;在颗粒可压缩变形多孔介质中,有效应力为其相同应变下的等效应力,有3种有效应力分别适用于总体积应变、颗粒体积应变、孔隙体积应变;新提出的孔隙体积有效应力方程与孔隙度、岩石总体积压缩系数、颗粒压缩系数、总应力和流压相关,4个理论计算式计算结果在3种多孔介质试验测试结果中的偏差均在5%以内;孔隙体积有效应力系数解决了如何定量增总应力来等效模拟储层降流压生产过程这一关键问题,3个压缩系数关系式理论计算准确方便。     

考虑热-水-力耦合效应多孔弹性地基的动力响应

通过对Biot波动方程的修正,得到考虑热-水-力学耦合效应的多孔弹性介质动力响应的控制方程,研究了简谐均布荷载作用下地基土体的热-水-力耦合动力响应问题。利用Fourier变换技术,得到地基中的应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Fourier逆变换得到数值结果,分析了热-水-力学耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布,并讨论了热源输入的影响, 结果表明：应力、位移和孔隙水压力随 的增大而有一定的减小。     

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     

储层流固耦合的数学模型和非线性有限元方程

根据饱和多孔介质固体骨架的平衡方程和多孔介质中流体的连续性方程,建立了储层流固耦合数学模型。模型中引入了Jaumann应力速率公式描述多孔介质固体骨架的大变形效应,并考虑了地应力、初始孔隙压力、初始流体密度和初始孔隙度对耦合模型的影响。基于与微分方程等价的加权余量公式,在空间域采用有限元离散,对时间域进行隐式差分格式离散,导出了以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量的储层流固耦合的非线性有限元增量方程。该模型在石油工程中有广泛的应用,为储层流固耦合的数值模拟奠定了理论基础。     

流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行计算和分析;对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行对比研究,从而揭示孔隙流体渗流对两相介质动力反应性质的影响。计算结果表明：两相介质弹性动力反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性动力反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻;孔隙流体的渗流将对两相介质的弹性动力反应性质产生显著的影响。数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹性动力反应计算分析的一种有效的方法。     

A bridge between dual porosity and multiscale models of heterogeneous deformable porous media

In this paper, a multiscale homogenization approach is developed for fully coupled saturated porous media to represent the idealized sugar cube model, which is generally employed in fractured porous media on the basis of dual porosity models. In this manner, an extended version of the Hill-Mandel theory that incorporates the microdynamic effects into the multiscale analysis is presented, and the concept of the deformable dual porosity model is demonstrated. Numerical simulations are performed employing the multiscale analysis and dual porosity model, and the results are compared with the direct numerical simulation through 2 numerical examples. Finally, a combined multiscale-dual porosity technique is introduced by employing a bridge between these 2 techniques as an alternative approach that reduces the computational cost of numerical simulation in modeling of heterogeneous deformable porous media.     

孔隙介质润湿性的核磁共振刻度特征的测量

核磁共振测量技术已能够快速而无损地获得孔隙介质的物性信息, 但对于颗粒表面润湿性的测量还处于定性到半定量的水平.采用毛细管法和玻璃板法对经不同浓度二甲基二氯硅烷溶液处理的玻璃表面润湿性测量, 然后对核磁共振方法测量的孔隙介质润湿性结果进行标定, 进而得到孔隙介质润湿性系列的刻度特征.实验表明, 对于玻璃颗粒孔隙介质, 核磁共振测量的结果在作为表面处理剂的二甲基二氯硅烷溶液浓度0 %~ 0.7%变化范围内才与孔隙介质润湿性的变化有着明确的对应关系.在此范围之外, 对应的驰豫时间的变化虽然较大, 但其对于润湿性的刻度已没有明确的作用.      

Autorun analysis of sedimentary porous materials

Fundamentals of autorun analysis have been given to describe porous media geometry, including sedimantary rocks. The mathematical abstraction of porous media has been presented on the basis of random fields. Classical parameters of porous media, such as porosity and specific surface, have been expressed in terms of autorun function. Finally, a stochastic model has been proposed for the underlying generating mechanism of the porous medium. This model is capable of producing synthetic porous medium and, on the average, porosity as well as the specific surface. The first autorun coefficient is asymptotically equal to the porosity of the medium concerned. It also has been observed that the porosity together with the autorun function are sufficient to produce the specific surface value of the medium.On leave from the Technical University of Istanbul, Taksim, Turkey.     

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

基于梯度塑性模型的多孔介质应变局部化分析的基本理论

讨论了引入梯度塑性模型情况下的含液多孔介质双重内尺度律的特征以及相互作用问题。在引入梯度塑性本构模型的情况下,一方面材料应变局部化分析数值结果的正则性得到保证;而另一方面,含液多孔介质会出现双重内尺度律参数的共同作用问题。本文给出了此时内尺度律预测的一个基本方法,并对稳定性问题进行了分析,讨论了不同情况下实波速存在的条件,给出了对于给定的渗透系数情况下实波速存在的波数区间,并对相关现象进行了解释。     

Macroscopic Electroosmotic Coupling Coefficient in Random Porous Media

A general analysis of electroosmotic phenomena is given for random porous media through which an electrolyte flows. A dimensional analysis demonstrates the crucial importance of the dimensionless coupling parameter a, which is usually very small when compared to 1; this suggests an expansion in terms of a and a numerical scheme that avoids the instabilities occurring in the direct solution. For media whose properties such as permeability are lognormally distributed, an analytical expression of the macroscopic coupling coefficients can be obtained when the fluctuations are small. Various results are provided for laminated media, correlated media, and stratified or fractured media. The influence of some macroscopic geometrical parameters is illustrated.     

One‐dimensional dynamics of saturated incompressible porous media: analytical solutions and influence of inertia terms

The complexity of formulations for the hydromechanical coupled mechanics of porous media is typically minimised by simplifying assumptions such as neglecting the effect of inertia terms. For example, three formulations commonly employed to model practical problems are classified as fully dynamic, simplified dynamic and quasi‐static. Thus, depending on the porous media conditions, each formulation will have advantages and limitations. This paper presents a comprehensive analysis of these limitations when solving one‐dimensional fully saturated porous media problems in addition to a new solution that considers a more general loading situation. A phase diagram is developed to assist on the selection of which formulation is more appropriate and convenient regarding particular cases of porosity and hydraulic conductivity values. Non‐dimensional formulations are proposed to achieve this goal. Results using the analytical solutions are compared against numerical values obtained with the finite element method, and the effect of porosity is investigated. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

One‐dimensional contaminant transport through a deforming porous medium: theory and a solution for a quasi‐steady‐state problem

Contaminant migration through soil is usually modelled mathematically using the dispersion–advection equation. This type of model finds application when planning the remediation of contaminated land, predicting the movement of polluted groundwater and designing engineered landfills. Usually the analysis assumes that the porous media through which the contaminant migrates is stationary. However, the construction of landfills on clay soils means that the soil beneath the landfill will undergo time‐dependent deformation as the soil consolidates. To date, there are no published data on the effect a deforming porous media may have on contaminant transport beneath a landfill; indeed, there appears to be no theory of contaminant migration through a deforming soil. In this paper, a one‐dimensional theory of contaminant migration through a saturated deforming porous media is developed based on a small and large strain analysis of a consolidating soil and conservation of contaminant mass. By selection of suitable parameters, the new transport equation reduces to the familiar one‐dimensional dispersion–advection equation for a saturated soil with linear, reversible, equilibrium controlled sorption of the contaminant onto the soil skeleton. Analytic solutions to a quasi‐steady‐state contaminant transport problem for a deforming media are presented, and a preliminary assessment made of the potential importance of soil deformation on the results of a contaminant migration analysis. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.