水力耦合作用下砂岩应力-损伤-渗流协同演化规律及细观数值仿真

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随着世界范围内大型水利水电工程、地热开采工程、石油天然气工程、高放废料深埋处置工程等不断兴建,越来越多的涉及岩体多场耦合的问题受到工程界和学术界的共同关注。工程荷载、地应力和地下水压力的耦合环境直接影响各类岩体工程的设计施工和建成后的稳定性。当压力水渗透到岩体微缺陷中,将产生附加张应力,岩石的渗流、变形及破坏过程变得异常复杂。  岩石所处的应力环境、损伤发展和渗流过程并非孤立变化,三者之间存在明显的协同性。在涉及高地应力、高渗透压的岩石工程中如果不能正确评价岩体的应力-损伤-渗流的协同演化规律,可能产生无法预计的严重后果。因此围绕岩石应力-损伤-渗流的协同演化规律十分值得研究和关注。  本文在国家自然科学基金(51109084)的资助下,进行了水力耦合下的三轴试验和声发射实时监测。获得了围压(10、20、30MPa)和渗透压(1、4、7MPa)两个因素在三个不同应力水平下的9组试验结果,包括应力-应变曲线、渗透率、声发射数据及破坏模式等。宏观试验结果初步定性展示了砂岩应力-损伤-渗流之间的协同演化规律,并为下一步细观模拟工作提供了模型参照和数据支持。  符合室内试验条件及宏观参数的细观模拟工作在 PFC2D平台上展开,采用自主编制的水力耦合双轴压缩程序进行模拟。模拟工作主要分为考虑围压效应和考虑渗透压效应两部分。  考虑围压效应时研究了不同围压下砂岩压缩变形过程中的声发射时空分布、接触力链和位移场,及其与脆延转换之间的联系。并从细观机制上解释了动态孔隙率分布对渗透性能的影响,探究了围压在岩石压缩变形过程中对应力-损失-渗流的影响作用。考虑渗透压时详细分析了不同渗透压下的声发射和能量耗散特性、细观裂纹发育特征、体应变与配位数、渗透率演化云图等细观信息,讨论了渗透压在岩石压缩变形过程中对应力-损失-渗流的影响作用。细观模拟结果表明,研究应力-损伤-渗流协同演化规律必须牢牢把握岩样内部细观结构的变化。本次研究宏细观结合,互为补充印证,深化了水力耦合条件下岩石损伤演化和渗流过程的理解。
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