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岩石破裂过程及其渗流—应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型

2020-11-22阅读(328)

岩石破裂过程及其渗流—应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型

论文摘要

随着深部采矿工程、边坡工程以及核废物地下处置等工程的不断发展,国内外的工程建设都面临许多岩石力学问题,一些重大工程灾害也时有发生,岩石破裂机制及其渗流-应力耦合特性的研究是解决并进而控制重大工程灾害的基础。基于此,本文在弹塑性理论、经典Biot渗流理论和细胞自动机自组织理论的基础上,提出了岩石破裂过程及其渗流-应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型,并开发了相应的数值模拟分析系统EPCA（Elasto-Plastic Cellular Automaton）和HM-EPCA（Hydro-Mechanics coupling analysis with Elasto-Plastic Cellular Automaton）,用于研究非均质岩石的破裂过程及其在渗流-应力耦合作用下的破裂机理。主要工作如下:1、基于细胞自动机局部作用原理,在力的平衡条件、变形协调条件,以及达西定律、渗流连续方程的基础上,建立了平面连续体（实体）的细胞自动机更新规则,用于求解岩石力学、渗流力学及其渗流-应力耦合问题;2、基于弹塑性理论和细胞自动机自组织理论,提出了用于模拟岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模型,给出了模拟岩石破裂过程的基本思路以及模拟岩石非均质性、破裂过程的声发射的具体方法,并利用VC++工具,开发了具有自主版权的数值模拟分析系统EPCA;3、利用EPCA分析系统,模拟了岩石单轴压缩破裂过程,研究了循环载荷作用下的宏观变形行为及破裂过程中声发射的Kaiser效应;研究了岩石的非均质性、高径比以及尺寸等对岩石破裂过程的影响;模拟了岩石试样在拉伸载荷（直接拉伸、巴西圆盘和三点弯曲等）作用下的破裂过程,模拟结果与实验结果吻合较好;4、针对岩石单轴压缩破裂过程中出现的I类曲线和II类曲线,引入应力-应变线性组合的加载控制方式,利用EPCA系统模拟岩石破裂过程的I类和II类行为,分析了II类曲线产生的机理;5、在岩石破裂过程弹塑性细胞自动机模型的基础上,增加了应力-渗流耦合模型,基于弹塑性理论、经典Biot渗流理论和细胞自动机自组织理论,提出了岩石破裂过程应力-渗流耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型,并利用VC++

论文目录

  • 第1章 绪论
  • 1.1 问题的提出
  • 1.2 岩石破裂问题研究现状
  • 1.2.1 断裂力学在研究岩石损伤破坏中的研究进展
  • 1.2.2 岩石损伤力学研究进展
  • 1.3 渗流应力耦合研究现状
  • 1.4 细胞自动机的应用研究进展
  • 1.5 论文的主要内容
  • 第2章 细胞自动机模型在力学分析中的应用
  • 2.1 细胞自动机理论简介
  • 2.1.1 细胞自动机的定义
  • 2.1.2 细胞自动机的构成
  • 2.1.3 细胞自动机的一般特征
  • 2.1.4 几种典型的细胞自动机模型
  • 2.2 细胞自动机模型用于力学分析的可行性及优点
  • 2.3 细胞自动机的力学分析模型
  • 2.3.1 细胞空间
  • 2.3.2 细胞以及细胞状态的定义
  • 2.3.3 邻居
  • 2.3.4 细胞自动机的更新规则
  • 2.4 求解平面连续体的实体细胞自动机更新规则
  • 2.4.1 弹性更新规则
  • 2.4.2 弹塑性更新规则
  • 2.5 实例验证
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模型
  • 3.1 基本思路
  • 3.2 材料非均质模型
  • 3.3 元胞单元的本构关系
  • 3.3.1 应变空间表述的弹塑性本构关系
  • 3.3.2 应力脆性跌落过程分析
  • 3.3.3 峰后软化方案
  • 3.4 声发射的定义
  • 3.5 程序设计
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 岩石破裂过程的EPCA 模拟
  • 4.1 引言
  • 4.2 岩石单轴压缩破坏过程的EPCA 模拟
  • 4.2.1 循环荷载对全程应力-应变曲线和声发射曲线的影响
  • 4.2.2 非均质性对岩石破坏过程的影响
  • 4.2.3 不同软化因子对岩石破裂过程的影响
  • 4.2.4 岩石试样高径比对其单轴压缩破裂过程的影响
  • 4.2.5 岩石试样尺寸效应对其单轴压缩破坏过程的影响
  • 4.2.6 空间离散性对岩石宏观变形行为的影响
  • 4.2.7 不同屈服准则对模拟结果的影响
  • 4.2.8 残余强度系数对岩石破裂过程的影响
  • 4.3 拉伸载荷作用下岩石破裂过程的EPCA 模拟
  • 4.3.1 非均质性对岩石单轴拉伸破坏过程的影响
  • 4.3.2 带切口巴西圆盘（NBD）试验模拟
  • 4.3.3 岩石三点弯曲实验模拟
  • 4.3.4 预制裂纹长度对裂纹扩展的影响
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 岩石破裂过程I 类和II 类行为的EPCA 模拟分析
  • 5.1 引言
  • 5.2 应力应变线性组合的加载控制方式
  • 5.2.1 控制方程
  • 5.2.2 C 和E′的确定
  • 5.3 单个元胞单元的加载过程
  • 5.4 非均质岩石试样单轴压缩破坏过程的模拟
  • 5.4.1 均质度对全程曲线的影响
  • 5.4.2 不同的E/ E ′值对全程应力应变曲线的影响
  • 5.4.3 不同的C 值对全程曲线的影响
  • 5.4.4 不同软化因子对全程曲线的影响
  • 5.4.5 不同屈服准则对应力应变曲线的影响
  • 5.5 本章小结
  • 第6章 岩石破裂过程渗流-应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型
  • 6.1 基本思路
  • 6.2 渗流-应力耦合基本方程
  • 6.2.1 流体渗流方程
  • 6.2.2 岩石变形场方程
  • 6.2.3 岩石骨架变形对流体渗流影响的关系式
  • 6.2.4 岩石渗流对岩石变形影响的关系式
  • 6.2.5 流体渗流场和岩石变形场的边界条件和初始条件
  • 6.3 峰后软化方案
  • 6.4 平面渗流场求解的实体细胞自动机方法
  • 6.4.1 更新规则
  • 6.4.2 平面渗流场的自组织平衡过程算例
  • 6.5 程序设计
  • 6.5.1 基本流程
  • 6.5.2 系统功能
  • 6.6 本章小结
  • 第7章 岩石破裂过程的HM-EPCA 模拟
  • 7.1 岩石试样应力敏感性研究
  • 7.2 循环载荷作用下岩样渗透率演化特性
  • 7.3 孔隙水压作用下岩石破裂过程的HM-EPCA 模拟
  • 7.3.1 数值模型的建立
  • 7.3.2 岩石应力-应变全过程中渗透系数演化规律
  • 7.3.3 孔隙压力对岩石破裂过程的影响
  • 7.3.4 非均质性对渗流-应力耦合机制的影响
  • 7.4 水力劈裂过程的数值模拟
  • 7.4.1 方形试样中间带扁平裂纹水力劈裂过程
  • 7.4.2 环形试样水力劈裂过程的模拟
  • 7.5 本章小结
  • 第8章 开挖扰动区THM 耦合过程BMT 的HM-EPCA 模拟
  • 8.1 总体描述
  • 8.2 Wall-Block 模型域
  • 8.2.1 模型建立
  • 8.2.2 应力分布
  • 8.2.3 位移演化
  • 8.2.4 温度膨胀的影响
  • 8.3 对比分析
  • 8.4 本章小结
  • 第9章 结论与展望
  • 9.1 结论
  • 9.2 展望
  • 参考文献
  • 博士在读期间参加的科研项目、发表的论文、成果及学术交流情况
  • 致谢

    • 相关论文文献

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