热固耦合条件下岩石开挖损伤区的演化过程数值模拟

论文摘要

在地热开发、石油的三次开采等工程中,必然会涉及到热固耦合条件下岩体开挖损伤区的演化问题。开挖损伤区的形成及后续的时空演化过程是一个温度场、应力场和损伤场相互耦合作用的过程。认清开挖损伤区的物理力学性质及其时空演化规律,对于工程稳定性和安全性评价及支护参数优化是至关重要的。针对能源深部战略储备和核废料深部地下处置等工程问题,近年来岩体开挖损伤区表征及其热(Thermal)一力(Mechanical)(简称为TM)耦合模型方面取得了较大的进展。本文考虑岩体的损伤,在TM耦合模型中引入损伤变量,提出岩体损伤过程中的TM耦合数值模型。借助有限元软件COMSOL Multiphysics (CM),通过有限元编程实现该模型的数值求解。通过将均匀弹性介质TM耦合响应的数值模拟结果与理论分析结果进行对比,证实了CM求解TM耦合方程的有效性；通过含圆形孔洞的方形岩石试样在单轴压缩条件下损伤过程的数值模拟,验证了本文中提出的考虑损伤过程的TM耦合模型的正确性。开展了热固耦合环境下岩体开挖损伤区的预测,数值模拟表明,圆形巷道在TM耦合条件下的损伤区一方面受控于地应力条件(侧压力系数),温度场的作用亦会对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。最后针对某岩石热固耦合过程物理实验,进行考虑温度对参数影响条件下开挖损伤区的演化规律研究,并分五种不同的工况进行数值模拟,模拟结果表明,温度场对损伤区的产生和发展的影响比边界荷载产生的影响更大,在数值模拟中,针对围岩所处于的地应力和温度边界条件,采用热固耦合模型进行分析是非常必要的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 高温下岩石的物理力学性质研究现状
• 1.2.1 高温下岩石的物理特性
• 1.2.2 高温下岩石的力学特性
• 1.2.3 岩石的热破裂特征
• 1.3 岩石破裂过程的数值模拟研究现状
• 1.4 研究的意义
• 1.5 本文研究思路及研究内容
• 第2章 损伤过程中的TM耦合模型及验证
• 2.1 基于统计分布的岩体参数赋值方法
• 2.2 基本控制方程
• 2.2.1 静力平衡方程
• 2.2.2 能量守恒方程
• 2.2.3 初始条件和边界方程
• 2.3 损伤对于TM参数的影响
• 2.4 方程的有限元求解——COMSOL Multiphysics
• 2.4.1 COMSOL Multiphysics简介
• 2.4.2 损伤演化的数值求解思路
• 2.5 CM求解TM耦合方程的验证
• 2.5.1 CM求解温度方程的验证
• 2.5.2 CM求解均布压力方程的验证
• 2.5.3 CM求解热固耦合方程的验证
• 2.6 CM求解损伤程序的验证
• 2.6.1 背景实验介绍
• 2.6.2 实验模型介绍
• 2.6.3 数值模型的建立
• 2.6.4 数值模拟结果
• 2.7 本章小结
• 第3章 热固耦合条件下岩体开挖损伤区的模拟
• 3.1 地应力条件对损伤区的影响
• 3.2 温度场对损伤区的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 考虑温度影响岩石物理力学参数条件下的损伤区数值模拟
• 4.1 试验结果简介
• 4.2 考虑温度影响条件下圆环模型的热应力
• 4.3 考虑温度作用条件下方形模型的损伤区预测
• 4.3.1 工况Ⅰ：只有温度场作用
• 4.3.2 工况Ⅱ：只有边界荷载作用
• 4.3.3 工况Ⅲ：先施加温度,后施加荷载条件
• 4.3.4 工况Ⅳ：先施加荷载,后施加温度条件
• 4.3.5 工况Ⅴ：同时施加温度与荷载条件
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介