Numerical computations of rock dissolution and geomechanical effects for CO2 geological storage

The paper is motivated by the long‐term safety analysis of the CO₂ geological storage. We present a methodology for the assessment of the geomechanical impact of progressive rock dissolution. The method is based on the use of X‐ray tomography and the numerical dissolution technique. The influence of evolution of the microstructure on the macroscopic properties of the rock is analysed by using periodic homogenization method. The numerical computations show progressive degradation of all components of the stiffness (orthotropic) tensor. Moreover, the evolution of associated mass transfer properties (as tortuosity and conductivity tensors), by using the periodic homogenization method, is also calculated. The correlation between the mechanical parameters and the transfer properties during the dissolution process is presented. The results show that the highest increase of the hydraulic conductivity (in direction Y) is not associated with the highest decrease of Young modulus in this direction. Moreover, the highest decrease of Young modulus (in the direction X) is not associated with percolation in this direction. Finally, an incremental law to calculate settlement, in case of a rock with evolving microstructure, is proposed. The solution of the macroscopic settlement problem under constant stress and drained conditions showed that the geomechanical effects of the rock dissolution are rather limited. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

有限元分析方法在天文仪器设计中的应用

在天文仪器的设计过程中存在有大量的数值计算,且大部分的数值问题是非线性的。如何有效的解决这些计算问题,保证设计工作的顺利进行,是每一个设计工作者关心的问题。文章结合云南天文台光谱筒的有限元分析过程,论述了如何采用有限元分析方法解决大型天文仪器机械设计数值计算问题。     

Modelling of coupled fluid‐mechanical problems in fractured geological media using enriched finite elements

Geological environments, such as petroleum reservoirs, normally exhibit physical discontinuities, for example, fractures and faults. Because of the reduced thickness of these discontinuities, finite element formulations with strong discontinuity have been applied to the numerical modelling of geological environments. Until now, two relevant characteristics of petroleum reservoirs have not been addressed by these formulations. The first is the pore pressure jump in the direction normal to a discontinuity in a fluid‐mechanical coupling condition, which is present primarily in sealing faults owing to the contrast of permeability with the porous medium. The absence of this jump can affect the prediction of the deformability of a physical discontinuity. Furthermore, reservoir models frequently use coarse meshes. Thus, the method used to evaluate the pore pressure in the discontinuity may exhibit a strong dependence relative to the mesh refinement. Based on these characteristics, in this study, a formulation of an enriched finite element for application to coupled fluid‐mechanical problems with pre‐existing physical discontinuities saturated by a single fluid is presented. The formulation employs discontinuous interpolation functions and enables the reproduction of jumps of displacement and pore pressure associated with a discontinuity inside the element without the need to discretise it. An approximation to estimate the pore pressure in the discontinuity was developed, one which seeks to minimise the influence of refinement. The element's response is verified by comparison with a one‐dimensional analytical solution and simple examples that are simulated using commercial software. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

浸矿开采对离子型稀土基岩力学特性的影响研究

为研究原地浸矿母液对离子型稀土矿收液底板的侵蚀影响,以离子型稀土矿基岩（半/弱风化花岗岩）为研究对象,开展了室内浸矿模拟试验。对比分析了不同浸矿时间岩样的应力−应变曲线、峰值应力、峰值应变和弹性模量,获取了不同浸矿历时岩样的孔隙度和细观形貌特征,并运用盒维法对岩样的非线性裂纹特征进行了定量化描述。结果表明：浸矿侵蚀作用对离子型稀土矿底板基岩力学性质的影响主要表现在前150 d,破坏形式由贯穿破坏转变为贯穿破坏与片状剥落并存;浸矿母液侵蚀作用下,基岩力学特性呈现先大幅减小后大幅回升,其后在小范围波动现象,浸矿约60 d对基岩力学特性的影响程度最大;浸矿母液侵蚀造成基岩内小孔隙增长,导致表面出现腐蚀及孔洞现象;浸矿时间不同将造成岩石不同的微观结构变化。     

生石灰激发GGBS固化高含水率香港海相沉积物的物理力学性质研究

海相沉积物处置已成为一项全球范围的挑战。在传统固化/稳定化方法中,环境污染严重的波兰特水泥(PC)是一种被广泛使用的固化剂。在此背景下,一种环境友好型的固化剂(生石灰与粒化高炉矿渣(简称GGBS)的混合料)取代PC来用在土壤改良领域。使用生石灰激发GGBS固化处理高含水率海相沉积物,并与PC固化海相沉积物进行比较。通过物理、化学试验及无侧限抗压强度试验分析了生石灰-GGBS固化海相沉积物的物理、化学和强度特性。结果表明:与PC固化海相沉积物相比,生石灰-GGBS固化沉积物具有体积收缩大、含水率低和密度略高的物理特性。随着生石灰比例的降低和养护时间的延长,生石灰-GGBS固化沉积物的pH值逐渐降低。生石灰-GGBS固化沉积物的无侧限抗压强度呈先增大(生石灰:固化剂为0.05～0.15)后减小(生石灰:固化剂为0.15～0.3)再增大(生石灰:固化剂为0.3～0.4)的趋势;当生石灰与固化剂的比值为0.15及0.4时,强度达到最大值;当生石灰与固化剂的比值为0.15时,生石灰-GGBS固化沉积物达到的峰值强度是相同条件下PC固化沉积物强度的1.4倍。该研究结果证实了GGBS与少量生石灰组合...     

淋溶时间对红黏土物理力学特性的影响

以湖北省鄂州市庙岭镇的红黏土为研究对象,以化学选择溶解法结合淋溶作用为处理手段,将原状土样中的游离氧化铁按梯度去除,获得连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)溶液淋溶时间与除铁率的关系,并分析了不同淋溶时间对红黏土物理力学特性及微观孔隙结构的影响。试验结果表明,DCB溶液淋溶时间与除铁率相关性较强,除铁率与时间呈先快速增长后逐渐稳定的关系。由于游离氧化铁在土颗粒间主要起胶结作用,故淋溶时间对红黏土的物理力学特性有较大影响。随着淋溶时间的增长,黏粒与胶粒含量逐渐增大,耐热性小幅提升,无侧限抗压强度显著减小,且无侧限抗压强度变化整体趋势为前期急剧降低至后期趋于平稳。核磁共振、差热分析和电镜扫描的结果表明,随着淋溶时间的增大,庙岭红黏土内部孔隙增大,自由水减少,结合水增多,微观形态上团粒结构遭到破坏,胶结物质明显减少,结构形式从紧凑的粒团堆叠结构逐渐转化为聚集体-松散颗粒状结构。     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

煤岩组合体峰前能量分布公式推导及试验

冲击地压一定是在能量驱使下发生的,为探索引发冲击地压的能量在煤岩系统中的积聚层位,构建了煤岩组合体力学模型,推导了煤岩组合体峰前能量分布公式,对细砂岩−煤（fine sandstone-coal,简称FC）、粗砂岩−煤（gritstone-coal,简称GC）、细砂岩−煤−粗砂岩（fine sandstone-coal-gritstone,简称FCG）3种组合体开展5种加载速率下的能量积聚规律试验,分析了组合体破坏特征、力学特性及能量积聚规律。试验表明：（1）在0.001 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以原生裂纹的扩展、贯通的形式缓慢耗散,属于塑性完全破坏;在0.1 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以局部弹射破坏的形式快速释放,属于脆性不完全破坏。（2）组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数与加载速率呈对数关系。随着加载速率增大,组合体抗压强度、弹性模量、冲击能量指数增幅逐渐减小,峰前能量增长率呈现低－高－低的趋势。（3）随着加载速率增加,煤组分储能增多,能量占比增大。在0.001～0.010 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较快;在0.010～0.100 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较慢。（4）相同加载速率下,煤组分能量占比顺序：FC组合体＞FCG组合体＞GC组合体。（5）组合体中煤组分能量占比均大于50%,煤组分是能量积聚的主要载体。相同应力条件下,软弱岩层能量积聚能力强于坚硬岩层,更易积聚能量。研究结果可为确定冲击地压能量积聚层位和释能减冲工作提供参考。