岩石破裂过程渗流特性的数值分析方法

论文摘要

近年来随着大型水利水电工程的兴建以及非常规油气资源的勘探开发,工程尺度岩体渗透特性研究的重要性愈发提高。岩石在荷载作用下发生变形直至损伤破裂的过程伴随极其复杂的力学行为。一方面,由于岩石材料自身存在细观尺度的缺陷,导致了材料非线性,不同岩样的试验曲线和材料参数极其离散;另一方面,岩体通常是由大量不连续结构面切割而成的复杂裂隙网络体系,节理裂隙的发育程度往往决定了岩体的力学特征。与此同时,工程岩体又通常赋存于应力场、渗流场、温度场等共同形成并相互作用的地质环境中,围岩与地下水之间存在复杂的流固耦合问题。尤其在开挖卸荷过程中一旦围岩发生损伤破裂,伴随着裂隙的发育,积蓄的应变能以声发射形式向外耗散,应力场不断转移,渗流通路不断改变,导致渗流场动态变化;渗流场的改变又进一步影响应力场的分布,在应力-渗流相互作用下,共同决定了岩体的破裂形式和渗流通道的发育形态。本文的研究完成了以下主要内容:（1）根据损伤力学和统计强度理论,对现有真实破坏分析方法RFPA（RealisticFailure Process Analysis）进行扩展细化,建立能够完整反应岩石损伤-渗透-能量耗散的全路径破坏分析方法。分别对弹性、损伤、接触、分离状态的单元扩展出完整的荷载-损伤路径,并结合不同的材料本构模型,将其推广到三维形式。较为成功的描述了岩石不同的破裂形态、裂隙反复张开闭合、裂隙面以及破裂块体之间相互咬合、相互锁定、再次破碎等复杂的力学行为。（2）建立了损伤过程渗流模型。充分考虑单元损伤历史和当前应力-应变水平对渗透性的综合影响;针对单元损伤的各个阶段,给出统一、连续的渗流模型表述。精细的模拟了渗流条件下岩体的损伤发育、裂隙开闭、声发射前兆、渗流通道的发育与改变、应力-渗流场耦合作用下诱导的裂隙转向等现象。（3）在唐春安提出的RFPA方法和以往研究者卓越成果的基础之上,引入现代软件设计方法,借鉴现有成熟CAE工程软件的设计开发思路,从底层开始全新开发了岩体工程分析系统REAS（Rock Engineering Analysis System）。以C#语言为主开发了用户交互界面;使用跨平台图形库OpenGL开发了高性能的图形可视化系统;采用C++和Fortran开发了网格的剖分、计算和分析程序,并自行设计了脚本语言对逻辑关系进行控制。（4）讨论了节理岩体宏观渗透性的尺度效应。基于DFN（DiscreteFractureNetwork）方法生成节理裂隙网络来表征岩体随机缺陷,获得了不同尺度下岩体渗透系数的变化规律。通过数值手段再现并解释了渗流的方向性和随机性与尺度效应的关系,比较了材料强度和渗透性对样本尺度的敏感性,并给出了数值计算中渗透性参数换算的修正公式。本文还讨论了围压水平、三轴荷载、节理密度、各向异性渗流等因素对渗透性尺度效应的影响,并尝试解释引发渗透性尺度效应的内在机理,总结出影响岩体渗透性尺度效应的关键因素。（5）分别讨论了完整脆性岩块与节理岩体在破裂过程中的渗透性曲线与能量耗散规律。数值试验表明,岩块压裂后渗透性的激增、能量释放高峰与峰值荷载几乎同步;而节理岩体往往在峰后数倍峰值应变处才形成完全贯穿岩体的渗流通道。将声发射激增作为渗透性突跳前兆,从机理上验证了微震监测预防突水事故的有效性。（6）以胶州湾海底隧道工程为背景建立数值仿真模型,探讨了隧道开挖穿越断层破裂带过程中围岩损伤、渗流通道发育以及微震前兆之间的联系。对超前钻孔探水、地层注浆加固以及注浆堵水效果评价进行了精细的数值模拟施工,并与工程实例的监测结果进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状与进展
•     1.2.1 岩石损伤行为的数值研究方法
•     1.2.2 岩石渗流-应力耦合问题的研究现状
•     1.2.3 岩体裂缝分布和渗流特性的测量方法
•   1.3 本文主要研究内容与思路
• 2 岩石损伤过程渗流模型
•   2.1 引言
•   2.2 准脆性材料的全路径破坏分析方法
•     2.2.1 单元状态定义
•     2.2.2 单轴荷载条件下的损伤路径
•     2.2.3 强度本构的选择
•     2.2.4 刚度重建
•   2.3 岩石变形-损伤-渗流模型
•   2.4 单元渗透性的计算
•   2.5 各向异性渗透性的计算
•   2.6 单元渗流参数的修正
•     2.6.1 裂隙渗流立方定律的扩展
•     2.6.2 材料孔隙率的计算
•   2.7 本章小结
• 3 岩体工程损伤渗流分析系统的实现
•   3.1 引言
•   3.2 软件工程理论与方法
•   3.3 软件架构设计与功能实现
•   3.4 全路径破坏分析代码结构解析
•   3.5 数据持久化与数据交互
•   3.6 细观材料特性的概率分布
•   3.7 基于概率分布的岩体缺陷建模方法
•   3.8 数值仿真与物理试验对比
•   3.9 本章小结
• 4 岩石损伤过程渗流特性与能量耗散的精细描述
•   4.1 引言
•   4.2 材料的损伤-渗流-能量耗散
•   4.3 完整岩块的损伤-渗流-能量耗散规律
•   4.4 节理岩体的损伤-渗流-能量耗散规律
•     4.4.1 节理岩体损伤过程的能量耗散
•     4.4.2 裂隙的开闭与贯通
•     4.4.3 应力-渗流耦合作用下的裂隙转向
•   4.5 岩石损伤过程能量释放的精细描述
•   4.6 微震监测在矿山突水预警中的应用
•   4.7 本章小结
• 5 节理岩体宏观渗透性的尺度效应
•   5.1 引言
•   5.2 岩体微观、细观和宏观渗透率的尺度定义
•   5.3 静载条件下渗透性的尺度效应
•   5.4 各向异性渗流的尺度效应
•     5.4.1 观测尺度与渗透的离散性
•     5.4.2 渗流的方向性
•   5.5 强度与渗透性尺度效应比较
•   5.6 破裂岩体渗透性的尺度效应
•   5.7 三轴荷载下渗透性的尺度效应
•     5.7.1 围压水平对渗透性尺度效应的影响
•     5.7.2 三轴荷载条件下渗透性的尺度效应
•   5.8 本章小结
• 6 海底隧道开挖过程的渗流风险与微震前兆
•   6.1 引言
•   6.2 工程背景与地质构造
•     6.2.1 工程概况
•     6.2.2 隧道的分级多精度模型
•     6.2.3 围岩渗流参数的计算
•   6.3 超前钻孔探水试验与数值模拟
•   6.4 注浆堵水加固施工与数值模拟
•   6.5 注浆堵水效果检查与数值模拟
•   6.6 隧道穿越破碎带的渗流风险与微震前兆
•   6.7 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 创新点摘要
•   7.3 后期工作与展望
• 参考文献
• 附录A 程序说明
•   交互文件说明
•   数据格式说明
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨韬

导师: 唐春安,梁正召

关键词: 岩体渗透性,数值模拟,破坏分析,软件开发,尺度效应

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 大连理工大学

分类号: TU45

总页数: 196

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