非均质岩石材料损伤演化规律的SPH模拟研究

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自然界中的岩石是一种非常复杂的天然介质,在周围力场、温度场、地下水等物理因素的影响下,其内部结构发生巨大变化。在煤矿开采中的巷道支护、顶板垮落、底板突水以及在油、气井中的增透技术等诸多工程实际中,都涉及到岩石的力学性质。因此对于岩石受外界条件影响下其力学性质变化情况的研究,具有重要的理论意义和工程实用价值。  本文将从岩石受外力作用下的变形情况和水在岩石内的渗流变化情况两个方面进行研究,应用光滑粒子流体动力学方法(SPH方法),借助Fortran语言进行编程,建立了具有应力边界条件的SPH数值模型。通过对弹脆性材料数值模型及岩石渗流场进行模拟分析,得以下主要结论:  (1)基于位移解法,建立了弹性静力学问题的SPH离散方程。设置了边界虚粒子,将应力边界条件引入数值模型,应用SPH方法进行了均质弹性体压缩试验的可靠性研究。通过模拟结果与弹性解析解进行对比分析,SPH方法解决固体力学问题的稳定性和可靠性较好;基于SPH方法,实现了岩石模型的非均质,通过对模型进行位移加载,模拟结果显示,模型中各粒子的应力应变按照一定均质度岩石进行变化。  (2)基于岩石损伤理论知识,借助Fortran语言,编写了弹脆性岩石类材料的损伤程序,建立了弹脆性材料的损伤模型。通过对模型进行数值计算,展现了模型发生损伤的整个过程中内部粒子的应力应变的变化情况,同时模型整体的应力应变曲线关系,也较符合岩石损伤变形的特征。  (3)基于岩石渗流理论,建立了岩石渗流场的数值模型,应用SPH方法对岩石内部渗流场进行模拟研究。应用Fortran语言编写了水在岩石内部渗流的偏微分方程的求解程序,对比分析了岩石渗流场的模拟结果与解析解,结果表明:应用SPH方法能很好的模拟水在岩石内部的渗流变化情况;基于Weibull随机分布,运用SPH方法建立了不同均质度岩石渗流场模型,模拟结果显示:在非均质岩石内部,各个粒子点水压力值大小不一,同一截面上各粒子水压力值,随着岩石均质度的减小,变化范围越大。  (4)基于渗流理论,建立了非均质岩石渗流应力耦合模型,基于SPH方法,借助Fortran语言,编写了流-固耦合模型的计算程序代码,对岩石内部应力场与渗流场的相互作用进行了数值模拟分析。结果表明:随着岩石轴向位移的不断增加,其内部渗透率逐渐减小,结果较符合岩石压密阶段渗透率变化规律。
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