基于细观力学的脆性岩石损伤—渗流耦合本构模型研究

论文摘要

岩石的应力．渗流耦合问题是岩石力学中研究岩石与所赋存环境之间相互影响关系的一个重要分支。近年来，众多学者在岩石应力．渗流耦合机理、概念模型、数值方法等方面取得了众多研究成果，但仍存在诸多问题，目前仍是国内外的研究热点和难点。对于岩石应力-渗流的耦合机理和耦合模型，目前使用较多的仍是各种唯象的经验公式，不仅适用性差，而且力学概念、参数含义不清晰，缺乏理论上的严密性。 本文旨在基于细观力学理论和方法，从岩石细观微裂纹在荷载作用下的各种变化着手，通过研究细观尺度下岩石微裂纹的细观应力变形规律，借助局部化和均匀化的数学工具，建立基于细观力学的脆性岩石各项异性损伤本构模型和损伤-渗流耦合本构模型，并通过常规三轴试验和应力-变形过程中的渗透性试验对提出的模型进行验证。论文的主要工作与研究成果归纳如下： （1）较为系统地总结了岩体应力-渗流耦合问题各方面的研究进展和现状，包括岩石应力-渗流耦合的机理、概念模型、数值方法等子问题，指出了应力-渗流耦合研究中的不足之处，并对岩石细观损伤力学的研究现状进行了总结。在此基础上，提出了本文的主要研究内容。 （2）基于细观力学理论及方法，首先建立了含微裂纹脆性岩石细观损伤本构模型的基本假定和宏观．细观概念模型，并建立了细观尺度上微裂纹的位移不连续间断与局部应力场之间的关系；通过能量原理，推导出含微裂纹脆性岩石的宏观自由变形余能；将荷载下的微裂纹按张开裂纹和闭合裂纹分成两类，分别研究了两类微裂纹在应力增量作用下摩擦滑移及裂纹扩展的准则和演化方程，并基于能量原理分别推导了含单组张开或闭合微裂纹的岩石等效均匀柔度（或切线柔度）四阶张量；通过33个积分方向的单位球面积分，建立了基于细观力学的脆性岩石宏观各向异性损伤本构模型。对模型参数的物理含义进行了分析，编制了相关程序对模型进行数值模拟，并对模型的各主要参数进行了敏感性分析。 （3）从细观尺度出发，建立了脆性岩石渗流的基本假设和概念模型；在已建立的基于细观力学的损伤本构模型基础上，将损伤本构模型中计算得到的细观尺度损伤内变量——微裂纹密度和剪切滑移量作为中间量，引入损伤-渗流耦合本构模型的推导中，研究在荷载作用下损伤内变量的演化引起的脆性岩石细观微裂纹开度、密度及连通度等影响渗流诸要素的演化规律，最终通过均匀化方法建立了含微裂纹脆性岩石的等效多孔介质渗透张量随应力．损伤的演化规律。对渗透性影响最大的因素为微裂纹等效开度，对该要素进行了专门的研究。最后对建立的基于细观力学的损伤-渗流耦合本构模型进行了数值模拟和参数分析。

论文目录

• 前言
• 摘要
• 目录
• 第1章.绪论
• 1.1.选题背景及研究意义
• 1.1.1.岩体的THMC多场耦合
• 1.1.2.岩体应力-渗流耦合
• 1.2.研究综述
• 1.2.1.岩石应力-渗流耦合机理研究
• 1.2.2.岩石应力-渗流耦合的概念模型研究
• 1.2.3.岩石应力-渗流耦合的数值方法研究
• 1.2.4.岩石细观损伤力学研究
• 1.3.本文主要研究内容
• 第2章.基于细观力学的脆性岩石各向异性损伤本构模型
• 2.1.细观力学均匀化和局部化的一般过程
• 2.1.1.REV的选取
• 2.1.2.REV内的局部化问题
• 2.1.3.REV内的均匀化过程
• 2.1.4.结论
• 2.2.含微裂纹脆性岩石细观损伤本构模型的基本假定
• 2.2.1.微裂纹的几何分析
• 2.2.2.REV内的细观应力场和应变场
• 2.2.3.REV的宏观应力和应变
• 2.3.基于应力增量的脆性岩石细观损伤本构模型
• 2.3.1.REV内的局部应力场
• 2.3.2.宏观自由变形余能
• 2.3.3.裂纹张开／闭合时的力学特征和判定准则
• 2.3.4.对张开裂纹的分析
• 2.3.5.对闭合裂纹的分析
• 2.4.脆性岩石各向异性细观损伤本构模型的一般形式
• 2.4.1.损伤变量的一般形式
• 2.4.2.损伤演化方程的一般形式
• 2.4.3.宏观应力-应变损伤本构关系的一般形式
• 2.5.细观损伤本构模型的数值模拟和参数分析
• 2.5.1.本构模型的数值模拟
• 2.5.2.参数分析
• 2.5.3.三轴压缩数值模拟
• 2.5.4.结论
• 2.6.本章小结
• 第3章.脆性岩石细观损伤-渗流耦合本构模型
• 3.1.基于细观微裂纹变化的渗透系数演化疗程
• 3.1.1.脆性岩石渗流的概念模型
• 3.1.2.含微裂纹的REV等效多孔介质渗透张量
• 3.1.3.对微裂纹等效开度的进一步分析
• 3.1.4.结论
• 3.2.渗透系数张量演化的数值模拟
• 3.2.1.对β演化过程的数值模拟
• 3.2.2.对渗透系数演化过程的数值模拟
• 3.3.基于细观损伤力学的脆性岩石应力-渗流耦合模型
• 3.4.本章小结
• 第4章.脆性岩石细观损伤和耦合模型的试验验证
• 4.1.脆性岩石细观损伤模型的试验验证
• 4.1.1.脆性岩石三轴压缩试验研究
• 4.1.2.试验结果的细观损伤模型模拟及验证
• 4.1.3.其他三轴试验结果的模拟及验证
• 4.2.脆性岩石细观损伤耦合模型的试验验证
• 4.2.1.脆性岩石应力变形过程的渗流试验研究
• 4.2.2.试验结果的细观损伤耦合模型模拟及验证
• 4.2.3.其他渗流试验结果的模拟及验证
• 4.3.本章小结
• 第5章.总结与展望
• 5.1.全文总结
• 5.2.展望
• 附录A：本文所采用的张量符号
• 附录B：单位球面33数值积分点坐标及各点权重
• 参考文献
• 个人简历及攻读博士学位期间发表的论文