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饱和岩石温度渗流应力耦合模型研究

第26卷第12期岩石力学与工程学报V01.26No.122007年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.,2007

非饱和岩石温度一渗流一应力耦合模型研究

陈卫忠,谭贤君,伍国军,贾善坡

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071)

摘要;以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度一渗流一应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和村砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。

关键词?岩石力学;泥岩;非饱和;温度一渗流一应力耦合模型

中图分类号ITu45文献标识码IA文章编号:1000—6915(2007)12—2395—09

STUDYONTHERMO.HYDRO.MECHANICALCOUPLINGMoDELFOR

UNSATURATEDROCK

CHENWeizhong,TANXianjun,wUGuojun,JIAShanpo

(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,

ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Abstract:Consideringtheeffectsoftemperatureonthecoefficientofviscosityandvoidratioofliquid,liquidflowcausedbytemperaturegradient,heatflowonwaterpotentialgradientandheatflowduetothermalconvection,basedonDarcy7Slaw,Fourier'slaw,theequationsofequilibrium,theconservationequationsofmassandenergyarederivedusingtwobasicvariablesforunsaturatedporousmedia,i.e.voidratioeandvolumetricliquidwatercontentn1.Andthenthethermo-hydro—mechanicalcouplingmodelisappliedtosimulatetheevolutionlawofunsaturatedwaterflowinsurroundingrockandconcretesupportofaclaystoneshaftwithconsideringexcavationandventilation,bywhichthevariationsofporepressure,temperatureandsaturationdegreeinclaystoneandconcreteaftertunnelexcavationandventilationareobtained.Thestudyhassignificanteffectsforundergroundoil,nuclearwastedisposal,designandconstructionfortunnelincoldregions.

Keywords:rockmechanics:mudstone:unsaturation:thermo-hydro—mechanical(THM)couplingmodel

1引言

岩体是我国水利、矿山、石油、核废料储存等各种工程经常遇到的复杂介质。岩体结构面在工程开挖或附加荷载的作用下会产生新的扩展和延伸,其中地下水的渗流边界条件也将改变,这些都会对工程岩体的长期强度和稳定性造成不利影响。因此,岩体中裂隙的损伤演化特性及其对岩体强度和渗流性的影响近年来一直为工程地质界、岩石力学和相

收藕日期l2007—05—14;修回日期l2007—06—12

基金lli目,国家自然科学基金资助项l目(50720135906,50579087,50539050)t国家重点基础研究发展规划(9r73)项1;I(2002CB412704)

作者蕾介?陈卫忠(1968一),男,博士,1990年毕业于山东矿业学院采矿工程专业,现任研究员、博士生导师,主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E.mail:wzchen@whrsm.∞.cn

?2396?岩石力学与工程学报2007年

关工程界所重视。在油气田开采、C02的地下储存、地热资源的开采、核废料的地下储存等领域中,都存在着多场、多相的耦合问题,多物理场之间的复杂耦合作用对工程岩体的长期稳定性具有非常重要的影响。国内外众多专家在多场耦合的理论与试验方面开展了大量的研究工作。M.A.Biot【h2】首先提出了多孔弹性理论;随后E.Detournay等[3-51该理论为基础,进行了大量的静态和动态的研究:R.L.Schiffman等[6-9|分析了饱和多孔介质体的多场耦合情况;D.GFredlund等‘10~12】贝4对非饱和多孔介质体进行了讨论;国内学者武文华等[13~181也进行了不少相关方面的工作。

目前,所建立的多场耦合理论分析都是根据工程用途来定义的,有些因素被忽略了。本文将岩石假定为多孔介质,根据材料的孔隙比e和含水量n.,并考虑温度对渗流黏滞系数、孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响。,建立非饱和岩石温度一渗流一应力耦合弹塑性力学模型。

2基本方法

1I夏定多孔介质岩石的基本量孔隙比P和含水量n。,在净平均应力仃、流体压力P。、空气压力P。和温度T的作用下,根据S.J.Wheeler和vSivakum一191的思路,其孔隙比和含水量可以分别表示为

e=五(西P。,T)(1)

,ll=^.(历P。,T)(2)其中,盯:!i±攀+p。,p。=p。一p。

如果净平均应力盯、毛细压力P。和温度T分别增加do",印。和dT,则孑L隙比e的变化可表示为

出=亳曲+妾帆+娄01旧(3)

dodp.

由此可得其相应的体积应变增量de、,为

d£v=鬲de=(1be]d仃+13e)印。+d£V2鬲2d仃+dpc+

陆e里bT卜=塑K+№州r(4)

Ll+J”‘‘

~式中:£v为体积应变,K为体积模量,B,为材料

的压缩系数,曰,为材料的膨胀系数。

同理,含水量%的变化可表示为

d,zl=B3d盯+B4印。+B5dT(5)式中:鼠为净平均应力变化引起含水量变化系数,玩为毛细压力变化引起含水量变化系数,B,为温度变化引起含水量变化系数。

利用式(4)将式(5)中的do"替换掉,则

dnI=B3‘d氏+或啦+鹾d丁(6)其中,

B扣B3K,B:=B3一BlB3K,B扣B5一B283K3控制方程

3.1平衡微分方程

假设岩石孔隙内充满了液态的水和气态的空气,则由式(4)得其增量形式的弹塑性本构关系为do"U=%,(d%一d铭)~KBI磊印。一

磊印。一觚i:4fd丁(7)式中:c知为初始弹性刚度矩阵分量,%为总应变增量分量,铭为塑性应变增量分量,瓯为符号函数。

假定岩石类材料服从Drucker-Prager屈服准则,屈服面函数为

f=caI+4J2一H=O(8)式中:,。为应力张量呒f第一不变量,,。=磊正,=吒;J:为应力偏量%的第二不变量,J2=i1(%%),勺=%一i1磊%;口,H均为材料参数,可分别表示为口:—坠(9)

口=—F———L一(9)

43(3一sin妒)

日:毒坚型L(10)

43(3一sin驴)

式中:C,驴分别为材料的黏聚力和内摩擦角。

多孔介质的力学平衡方程为

呒¨+包=0(11)式中:觑为体积力分量。

按照应变的定义有

峄缸掣+刳∞,将式(7)和(12)代入式(11)得

一26卷第12期陈卫忠,等.非饱和岩石温度一渗流一应力耦合模型研究?2397?

V2Mf+而GUj,ji--Pa,i--KB。‰一

KB:Zf+包=0(13)3.2水的质量守恒方程

忽略多孔介质中流体的惯性力和黏着效应,由Darcy定律得

”一鲁睁舢小‰考∽,式中:k埘为流体的渗透系数;k.巧为温度对流体速度影响系数:∥。为流体的黏滞系数,根据Y.EZhou‘冽的研究,它与温度相关,其计算公式如下:

“=661.2x(T一229)一‘562x10-3(15)根据欧拉观点,在流场中任取一个控制体Q,该控制体内有多孔介质,其孔隙比为e,流体的体积分数为n.,控制体的外表面面积为A。在外表面上任取一个面元为d4,其外法线方向是元,通过面元dA的渗流速度为vu,于是单位时间内通过面元dA的质量为P。vlf.元dA,因而通过整个外表A流出的流体的总质量为制n’,。?元dA。

-’

另一方面,在控制体Q中任取一个体元d(2,由于非稳态引起密度和孔隙比随时间变化,因而整个控制体Q内质量增加率为,警Q。

此外,若控制体内有源(汇)分布,其强度为gl,则单位时间内体元dO产生(或吞没)的流体质量为Aq.dO,因而单位时间内整个控制体Q由源(汇)分布产生(或吞没)的流体质量为№q.dD。

根据质量守恒定律,控制体Q内流体质量增量应等于源(汇)分布产生的质量减去通过表面积A流出的流体的质量,即

腊∞2口fPtqtdO一辨晡dA(16,

式(16)就是流体积分形式的连续性方程。再利用高斯公式,式中的面积分项可化为P.%散度的体积分,即

制岛vu-元dA=IV?(届’,H)do(17)

T占

将上式代入式(17)可得

“等裂-..-V.(PlVu)-P,qt}dD=…8,

则整个积分体等于0必然导致其被积函数为0。于是得微分形式的连续性方程:

掣掣+v却¨:舢。(19)

(1+e)Ot

”……“”、’对式(19)等号左边进行整理,则

n,zl堕+n堕+惕亟+

m蚩帽言奶蚩+

V?崩鲁懈,卜巧珈Ⅲ。,

根据式(6)可得

a矿n,耳鲁+嘭誓+《詈(21)水的密度随水压力和温度的变化公式为

届=岛o(1+屈【(风+P。)一(Pco+P。o)】一%丁】(22)

综合式(20)~(22)可得

厶。导+厶z誓‰等帆鲁+

V‘[一等降隅卜巧讣m∞,

其中,

厶。=向(啊+g),厶2=PlB:+Pl。届凡。

厶3=,olo届啊,厶4=PlB;一Plo%凡l

3.3空气的质量守恒方程

由Darcy定律得

铲一等荽吐巧誓∽,

∥。孤f“们”孤f

”…

式中:k叫为气体的渗透系数,k。删为温度对气体速度影响系数,∥。为气体的黏滞系数。

与流体相似,气体的微分形式的连续性方程为堕龟旱去譬盟+v.(从%):见吼(25)

(1+已)m

”4…“”、7将式(25)等号左边第一项展开可表示为

!!幺坠!!型:!!旦尘二g±塑l!:

(1+e)at(1+e)at

ea[成(1+咖^】

(1+e)at(1+e)Ot

(26)

?2398?岩石力学与工程学报2007笠

P。=而Pa

将式(6),(26)和(27)代入式(25)得厶。鲁+k警%誓+k誓+V?(_盟It,虹axj鹏珂刳堋。其中,

厶。=Pa(1一,ll—B;)

厶:=-p。B:

k。嚣高(27)(28)

驴1意务帆叫

3.4能量守恒方程

3.4.1固体骨架的能量守恒方程

利用欧拉观点,在流场中任取一个控制体,其体积为口,控制体的外表面面积为A,其外法线方向是元,则单位时间内由外界加热(如注蒸汽或电加热)为

一『Q?fidA=-』V?QdD=夕?(如VT)dO(29)

由内部热源使控制体内增加的热能为[Q,ds"2。

设固体密度和比热容分别为A和Cs,则单位体积固体温度升高T所需要的热能为PsC。T,,其变化率为垫堡坚■,所以固体介质积分形式的能量方程为

』[妄(胪)I.v.(覆eVT)-Qs卜。(30)

由于控制体口是任意的,只要被积函数连续,则整个积分体等于0必然导致其被积函数为0。于是得微分形式的能量方程

÷(pc丁)。=V?(磊VT)+Qs(31)

3.4.2孔隙中流体的能量守恒方程

按照拉格朗日观点建立热传导方程。对于确定的物质系统,没有内能和机械能流进流出,外界进来的热能与内能和内部热源产生的热能全部用于流体能量的积累,或时间的变化率。这个变化率用物质导数表不为

d(pcT)l_V.(九订)-Ql卜。0(32)如上所述,因为这个物质系统所占据的体积是任意选取的,所以整个方括号的表达式必定为0。再利用物质导数与局部导数之间的普遍关系式:

竿:娑+(1,.V)FV(33)

_=_+(1,‘【jj)则孔隙中流体微分形式的能量方程为

d(Pc丁)I+(h.V)(pcT)l=V.(九V丁)+Ql(34)ot

3.4.3孔隙中气体的能量守恒方程

由上面的推导,气体应该与液体的能量守恒方程完全类似,有

:d一(pc丁)。+(%.V)(pcT)。=V.(五a{『V丁)+Qj(35)Ot。

3.4.4总的能量守恒方程

前面分别导出了固体、流体和气体导热的普遍能量方程。在研究实际非等温非饱和渗流时要把三者结合起来构成统一的能量方程。假定比热容c和热传导系数五均为常数。考虑到单位体积中的固体、流体和气体所占据的空间分别为五1i,,l。和÷一,l,,则总的能量方程可表示为

石j专丽iI(pc丁)s+(1+P)n-(户c丁)-+[e-(1+P),l?】‘

(Pc丁)。l+【(Vu?V)(pc丁)l+(Vai?V)(pcT)。】=V?№¨九+警%H鬲1Q+%QI+警Qa(36)对式(36)进行整理得

厶。鲁+厶:警+厶,警+k誓+

【(Vu?V)(pc丁)l+(y蚯?V)(pcT)。】=

V?{[圭¨九+警%H

而1Q+啊Ql+警Q(37)其中,

厶l=(cl厶l+C,L,1)丁

堑卷第12期陈卫忠,等.非饱和岩石温度一渗流一应力耦合模型研究?2399?

L32=(cI厶2+c。L22)丁

厶3=(Cl厶3+c。£23)丁

L34=(pc):l-I-(qLl4+CaL24)r

(川::I:丛整幽型竽壁也尘型

l+e

4模型的工程应用

为了模拟某泥岩竖井的开挖、混凝土衬砌支护、通风及长期运行的过程,作者将该THM三场耦合模型应用到了自行开发的耦合弹塑性二维有限元程序中,对相关结果进行了分析。本程序主要是基于Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,然后分步迭代求解。

4.1计算基本条件和参数

设某竖井埋深500m,直径为5.9m,混凝土管片衬砌的厚度为0.45m,计算模型如图1所示。假定未开挖时,泥岩的饱和孔隙水压力和孔隙气压力

图1有限元数值计算模型及边界条件

Fig.1Finiteelementnumericalcalculationmodeland

boundaryconditions均为4MPa,岩石温度为293.15K。开挖后围岩边界孔隙水压力和孔隙气压力分别为一38.4和0.1MPa。开挖8d后施加衬砌,衬砌内的初始孔隙水压力和孔隙气压力分别为一14.4和0.1MPa,边界孔隙水压力和孔隙气压力分别为一14.4和0.1MPa。同时在衬砌边界上施加一恒定温度T=353.15K的热源对围岩进行加热。

根据现场的测试结果,一500m处的初始地应力为正=12.0MPa,侧压系数K=盯。/or。=1.4。根据实验室非饱和渗流试验结果,泥岩和素混凝土的饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数和气相的相对渗透系数与饱和度的关系如表l所示。

对于轴对称问题的竖井,在有限元计算时,只考虑1/4,计算模型的范围和初始边界条件如图1所示。竖井围岩、衬砌水一热物理参数和力学参数分别如表2和3所示。

4.2计算结果

竖井开挖后由于通风的作用,围岩出现干缩,围岩内渗流由初始饱和状态变为非饱和状态,图2即反映了这一过程。从图中可以看到,8d之后饱和度影响范围基本趋于稳定,达到了3.5m。在这一过程中,为了说明相对渗透系数对围岩饱和度的影响,笔者在其他条件不变的情况下将其扩大1倍,得到了图3所示的情况:非饱和区达到了8m。两图对比显示,相对渗透系数对围岩饱和度的影响效果显著。

在混凝土管片衬砌安装后,混凝土和泥岩内的孔隙水进行快速交换以满足孔隙水压力和孔隙气压力连续的条件,围岩内的负孔隙水压力开始减少,边界围岩饱和度开始上升,吸水膨胀。由图4的计算结果可以看到,边界围岩饱和度由初始的0.620上升到了稳定时的0.815,饱和度得到显著提高,实现了由非饱和到近饱和的过程。而相应的混凝土内的饱

表1泥岩与混凝土中液相、气相的相对渗透系数与饱和度的关系

Table1Relationshipbetweenrelativepermeabilitycoefficientofwaterandgasinmudstoneandconcretewithsaturationdegree

岩石力学与工程学报2007经

表2竖井围岩、衬砌水一热物理参数

Table2Hydro-thermalparametersofmudstoneandconcrete

介质密度/(kg?m一3)初始渗透率,m2孔隙率黏滞系数比热容,(J-(kg?℃)一1)导热系数“w?(m?℃)一1)

表3竖井围岩、衬砌力学参数

Table3Mechanicalparametersofmudstoneandconcrete

图2洞室开挖8d内工方向饱和度随时问的变化

Fig.2Variation

ofsaturationdegreeofmudstoneinx-directionaftertunnelexcavationandventilationfor8days

和度则由初始的0.927开始下降,补水相邻围岩,而后在边界条件的作用下,饱和度最终稍有提高。其演化规律如图5所示。

同时,温度在这365d的时间里亦通过热传递使得围岩和衬砌的温度大大升高,其随时间的变化情况如图6和7所示。

为了揭示温度对渗透的影响,作者将只考虑流一固两场祸合和考虑热一流一固三场耦合,不同时间(5,50和365d)的毛细压力等值线的分布图进行了对比,见图8~13。通过对比可以看到温度

100

095

090

085

才O.80

O75

O70

065

O60

0l2345678910ll

x/m

图3改变相对渗透系数后洞室开挖8d内X方向饱和度随时间的变化

Fig.3Variationofsaturationdegreeofmudstonein工-directionaftertunnelexcavationandventilationfor8dayswhen

changingtherelativepermeabilitycoefficient

图4通风365d泥岩竖井J方向饱和度随时间的变化Fig.4Variationofsaturationdegreeofmudstonein工-

directionaftertunnelventilationfor365days

对渗流有明显的影响。

x/m

图5通风365d泥岩衬砌X方向饱和度随时间的变化Fig.5Variationofsaturationdegreeofconcretein}directionaftertunnelventilationfor365days

350

330

魁320

310

02468101214161820

x/m

图6通风365d泥岩竖井工方向温度随时间的变化Fig.6Variationoftemperatureofmudstoneinx-dkecfionaftertunnelventilationfor365days

350

譬330

瑙320

310

0000050100150.20025030035040045

x/m

图7通风365d泥岩衬砌工方向温度随时间的变化Fig.7Variationoftemperatureofmudstone

inx-directionaftertunnelventilationfor365days

14

12

10

孟6

0瓢

一2o2468lo121416

州m

图8考虑流一固耦合t=5d时毛细压力等值线图

(单位:MPa)

Fig.8Isogramofcapillarypressurewhenconsidering

hydro?mechanicalcouplingatt=5d(unit:MPa、

一20246810121416

z/m

图9考虑热一流一固耦合t=5d时毛细压力等值线图(单位:MPa)

Fig.9Isogramofcapillarypressurewhenconsideringthermo—hydro-mechanicalcouplingatt=5d(unit:MPa)

14

12

10

X6

0蒜I—1jI

一20246810121416

xlm

图10考虑流一固耦合t=50d时毛细压力等值线图(单位:MPa)

Fig.10Isogramofcapillarypressurewhenconsideringhydro—mechanicalcouplingatt=50d(unit.MPal4

暑,^

?2402?岩石力学与工程学报2007年14

12

10

0§

-20246810121416

x/m

图11考虑热一流一固耦合,=50d时毛细压力等值线图

(单位:MPa)

Fig.11Isogramofcapillarypressurewhenconsideringthermo-

hydro-mechanicalcouplingatt=50d(unit:MPa)

14

12

lO

8{。

万—\,

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xlm

图12考虑流一固耦合t=365d时毛细压力等值线图(单位:MPa)

Fig.12Isogramofcapillarypressurewhenconsideringhydro—mechanicalcouplingatt=365d(unit:MPa)

x/m

图13考虑热一流一固耦合t=365d时毛细压力等值线图(单位:MPa)

Fig.13lsogramofcapillarypressurewhenconsideringthermo-hydro-mechanicalcouplingat,=365d(unit:MPa)5结论

通过将作者建立的THM三场耦合方程应用到一泥岩竖井的开挖、混凝土衬砌支护,通风及长期运行的过程中,可以得到如下结论:

(1)给出了一个完整的多孔介质热一流一固三场全耦合数学模型。该模型由流体物质守恒方程、气体质量守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这4个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项的作用,如温度对流体黏滞系数的影响、流动对热传导(即对流项)的影响、温度对孔隙比的影响、

热梯度引起的流体流动、流体流动引起的热对流等。

(2)建立了一泥岩竖井的流一固一热三场全耦合数值分析模型,对在流一固一热三场耦合作用下的非饱和渗流进行了深入的分析和比较。结果显示:相对渗透系数和温度对非饱和渗流影响显著,热一流一固耦合作用对竖井的稳定性非常重要。

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Weizhong,SHAOJianfu,YANGChunhe?eta1.ResearchOB

saturatedandunsaturatedflowmechanismofclaystone[J].Chinese

JournalofRockMechanicsandEngineering,2004,23(21):3689—

3694.(inChinese))

【191WHEELERSJ,SIVAKUMARv.Developmentandapplicationofa

criticalstatemodelforunsaturatedsoil[q//PredictiveSoil

Mechanics,ProceedingsoftheWrothMemorialSymposium.

London=ThomasTelford,1993:709—728.

【20】ZHOUYEThermo—hydro-mechanicalmodelsforsaturatedand

unsaturatedporousmedia[Ph.D.Thesis][D].Winnipeg:Uhiversityof

Manitoba。1998.

袁海平博士致歉信

由于本人的疏漏,我在《岩石力学与工程学报》2006年第26卷第8期1575~1581页发表的题为“分级加卸载条件下

软弱复杂矿岩蠕变规律研究”一文中,没有合理引用同济大学夏才初教授等于1989年在《中南矿冶学院学报》(现《中南工业大学学报》)第20卷第2期128~135页发表的文章“考虑加载历史影响的蠕变实验数据整理方法”,特此表示诚挚的歉意!

袁海平

2007年11月19日

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

作者:陈卫忠, 谭贤君, 伍国军, 贾善坡, CHEN Weizhong, TAN Xianjun, WU Guojun,JIA Shanpo

作者单位:中国科学院武汉岩土力学研究所,岩土力学与工程国家重点实验室,湖北,武汉,430071

刊名:

岩石力学与工程学报

英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING

年,卷(期):2007,26(12)

被引用次数:2次

参考文献(20条)

1.BIOT M A General theory of three-dimensional consolidation 1941(02)

2.BIOT M A General solutions of the equations of elasticity and consolidation for a porous material 1956(01)

3.DETOURNAYE.CHENG A H D Poroelastic response of a borehole in a non-hydrostatic 8tress field

1988(03)

4.CHENG A H D.ABOUSLEIMAN Y.ROEGIERS J C Review of some poroelatic effects in rock mechanics

1993(07)

5.SENJUNTICHAI T Green's functions for muti-layered poroelastic media and an indirect boundary element method 1994

6.SCHIFFMAN R L A thermoelastic theory of consolidation 1972

7.DERSKIW.KOWALSKI S L Equations of linear thermoconsolidation 1979(03)

8.BOWEN R M Compressible porous media models by use of the theory of mixtures 1982(06)

9.MCTIGUE D Thermoelastic response of fluid-saturated porous rock 1986(B9)

10.FREDLUND D G.RACHARDJO H Soil mechanics for unsaturated soils 1993

11.LIORET A.ALONSO E E Consolidation of unsaturated soils including swelling and collapse behavior 1980(04)

12.SCHREFLER B A.ZHAN X A fully coupled model for water flow and air flow in deformable porous media 1993(01)

13.武文华.李锡夔非饱和土的热-水力-力学本构模型及数值模拟[期刊论文]-岩土工程学报 2002(04)

14.张有天.刘中降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析 1997(02)

15.雷树业.杨荣贵.杜建华非饱和含湿多孔介质传热传质的渗流模型研究[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版) 1999(06)

16.项颜勇裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟[期刊论文]-工程地质学报 2002(02)

17.陈卫忠.邵建富.DUVEAU G黏土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2005(17)

18.陈卫忠.邵建富.杨春和黏土饱和-非饱和渗流机制研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2004(21)

19.WHEELER S J.SIVAKUMAR V Development and application of a critical state model for unsaturated

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20.ZHOU Y F Thermo-hydro-mechanical models for saturated and unsaturated porous media 1998

1.期刊论文刘向君.刘洪.罗平亚.梁大川.黄进军.LIU Xiangjun.LIU Hong.LUO Pingya.LIANG Dachuan.HUANG

Jinjun钻井液浸泡对库车组泥岩强度的影响及应用研究-岩石力学与工程学报2009,28(z2)

通过岩石三轴抗压实验研究包含在用钻井液体系在内的多套钻井液体系对库车组泥岩强度特性的影响.在已有钻井液性能评价方法的基础上,结合泥岩受不同钻井液体系浸泡24 h后所表现出的应力-应变规律及浸泡前后岩石力学性能、岩石变形和破坏规律,对现用钻井液体系进行筛选和优化研究,获得对该泥岩地层具有更好稳定作用的钻井液体系;通过对不同钻井液体系浸泡前后岩石的强度测试结果,计算分析不同体系下的地层坍塌压力变化,成果应用到现场钻井,稳定井壁及提速效果显著.研究表明:通过优化钻井液体系可以调整和改变泥岩地层的强度特性,最佳状态下的钻井液应该使泥岩浸泡前后表现出基本相同的应力-应变规律;在现有钻井液评价技术中引入岩石强度特性研究成果,不仅将泥岩与钻井液的化学力学耦合作用主动地引到钻井液体系的优化设计当中,而且为从源头上遏制钻井液与目标泥岩地层之间可能出现的化学力学耦合作用对泥岩地层井壁稳定带来的不确定影响奠定了理论基础和方法基础;把钻井液体系设计与优化和井壁力学稳定性相结合,为获得钻井目标泥岩地层坍塌压力,实现低密度钻井液安全、高效钻井奠定了基础;泥岩与不同钻井液体系接触后表现出的变形破坏规律是泥岩地层钻井液稳定井壁性能优化的重要依据,根据泥岩浸泡前后应力-应变特征的研究可以实现对钻井液性能的评价和优选.

2.期刊论文许兴亮.张农.李玉寿.XU Xingliang.ZHANG Nong.LI Yushou煤系泥岩典型应力阶段遇水强度弱化与渗

透性实验研究-岩石力学与工程学报2009,28(z1)

采用MTS815.02S型电液伺服岩石力学实验系统,研究水岩相互作用条件下,煤系泥岩典型应力阶段岩体渗透性变化与遇水后强度弱化规律,并用原位窥视仪实验验证主要结论.研究表明:峰值强度前不同应力阶段遇水弱化程度差异不大,遇水后峰值强度平均降低了14.5%;残余强度阶段遇水对岩块稳定残余强度的弱化最高,达到50%左右,其次是塑性阶段与弹性阶段,在应变软化阶段由于泥质岩体渗流通道的自封闭作用,该阶段遇水对残余强度弱化程度最小;在破坏前的弹性变形乃至屈服阶段,渗透性较弱且随变形增加变化不明显;受载至应变软化阶段,渗透性增强并在残余强度阶段达到渗透峰值,在塑性压密变形阶段没有明显的降低,随变形扩展而逐步趋于稳定.

3.期刊论文何满潮.周莉.李德建.王春光.聂雯.HE Manchao.ZHOU Li.LI Dejian.WANG Chunguang.NIE Wen深井泥

岩吸水特性试验研究-岩石力学与工程学报2008,27(6)

软岩吸水膨胀是深井软岩巷道产生大变形乃至坍塌的主要原因之一.采用自主开发研制的软岩水理作用测试仪,对深井泥岩进行吸水试验研究,同时进行SEM与X射线衍射试验,来揭示泥岩的吸水特性及其主要影响因素.经过对多个不同泥岩岩样的一系列试验及分析,建立泥岩吸水的过程函数,揭示吸水特性在时间序列上分为减速吸水和等速吸水两个阶段,吸水量与吸水时间双对数关系曲线呈上凸、下凹和直线3种类型.同时发现,孔隙率的大小、矿物含量与种类及黏土矿物的产状等,是泥岩吸水特性的主要影响因素.泥岩孔隙率与吸水量、吸水速率成正比关系,黏土矿物含量与吸水量、吸水速率成反比关系,且粒间孔隙中黏土矿物的分布形态不同,则特征曲线的形态也不同.

4.期刊论文蔚宝华.邓金根.闫伟层理性泥页岩地层井壁坍塌控制方法研究-石油钻探技术2010,38(1)

涠州12-1北油田涠二段泥页岩地层层理发育、水敏性强,虽然采用了油基钻井液钻进,但井壁垮塌等井下复杂情况仍频繁发生.该油田涠二段地层岩石力学试验结果表明,涠二段泥页岩强度具有显著的各向异性,其受到的最大主应力方向与层理面法向之间的夹角为30°~70°,岩心易发生沿层理面的剪切滑移破坏,强度远低于最大主应力方向与层理面法向平行时的最大强度,这是造成定向井井壁失稳的主要原因.结合岩石力学试验结果,将层理性泥页岩视为横观各向同性材料,建立了合理钻井液密度的确定方法,确定了定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律.利用定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律,对该油田的定向井钻井液密度和井眼轨迹进行了优化,成功解决了涠二段地层的井壁失稳问题.

5.期刊论文贾善坡.JIA Shanpo Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用-岩石力学

与工程学报2009,28(12)

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.

6.期刊论文马占国.兰天.潘银光.马继刚.朱发浩.MA https://www.doczj.com/doc/8f15345539.html,N Tian.PAN Yinguang.MA Jigang.ZHU Fahao饱

和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究-岩石力学与工程学报2009,28(7)

破碎岩石具有显著的蠕变特性,可引起孔隙连续变化,从而导致渗透特性的连续变化.利用自制的破碎岩体多相耦合蠕变试验装置,研究饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙的变化规律.结果表明,破碎泥岩蠕变过程中孔隙率与时间呈负指数关系,整个过程具有明显的阶段性;荷载相同时,破碎泥岩粒径越小,孔隙率变化也越小,最终稳定下来的孔隙率越大;随着荷载的增大,这种因粒径不同而产生的孔隙率大小差异逐渐缩小;相同粒径下,荷载越大,孔隙率变化越快.

7.期刊论文李银平.刘江.杨春和.LI Yinping.LIU Jiang.YANG Chunhe泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分

析-岩石力学与工程学报2006,25(12)

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究,对比分析3种试样的变形和破坏特性.试验结果表明:泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏;此外还观察到应力-应变曲线的"应力跌落"现象.针对试验结果,利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析.分析结果表明,泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用,这很好地解释试验结果,这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油(气)储库洞室稳定性分析提供理论基础.

8.学位论文阳克青岩石蠕变机理研究2009

岩石的蠕变机理是岩石力学重要的基础理论之一,国内外对此问题的研究较少。本文在分析已有岩石蠕变机理研究成果的基础上,指出了现有岩石蠕变机理研究中存在的不足。

以南宁盆地泥岩为研究对象,进行了一系列的单轴压缩无侧限蠕变试验和有侧限蠕变试验,探讨泥岩的蠕变特性,特别是配合扫描电镜,着重探讨泥岩蠕变过程中的细观和微观结构的变化,在此基础上深入分析岩石的蠕变机理。

本文通过室内试验和理论分析,获得了以下一系列研究分析结论。

通过无侧限的单轴压缩蠕变试验发现:泥岩瞬时形变之后较快地进入稳定蠕变阶段,由过渡蠕变阶段向稳定蠕变阶段过渡的界线并不明显,但在材料破裂前出现比较明显的征兆,在持续很短时间后发生失稳破坏;随着荷载的增大,单位应力增量下的蠕变变形增量逐渐稳定,在出现加速蠕变前应力的增加对轴向蠕变速率影响有限;泥岩蠕变瞬时变形量随着应力的增加而减小;泥岩试件的轴向压缩模量增大,出现了硬化现象。通过有侧限的单轴压缩蠕变试验,并将试验结果与无侧限的蠕变试验相对比发现:泥岩在有侧限条件下的蠕变只出现了过渡蠕变和稳态蠕变两个阶段,主要表现为稳态蠕变阶段;出现了体积随时间变化的现象,即发生了体积蠕变;有侧限下的蠕变硬化效应强于无侧限下蠕变硬化效应。

通过蠕变试验及电镜扫描试验结果发现,岩石的蠕变机理是结构损伤与硬化效应,熵增与内部调整共同作用的结果。经过总结前人经验以及试验结果分析,构建蠕变、结构损伤因子及硬化因子综合曲线图,并结合此图对岩石蠕变全过程的机理作了阐述。

9.期刊论文门相勇.赵文智.王智诒断层涂抹层分布规律的物理模拟实验研究-石油勘探与开发2001,28(1)

根据库仑-摩尔黏性或非黏性摩擦材料的塑性变形和破坏理论,制作了剪切模拟实验装置,以黏土、砂、水泥等作为不同厚度、不同成岩程度的砂泥岩地层的替代物,进行了大量断层涂抹层形成的剪切断裂实验。根据对实验结果的观测分析,认为处于泥岩成岩作用早期阶段的生长断层易形成断层涂抹层,非生长断层一般不形成涂抹层;断层的初期活动对形成涂抹层起积极作用,再次活动对涂抹层起破坏作用;断层涂抹层的分布长度与断移泥岩层的厚度、泥岩含水量、一定范围内的断距呈正比关系,涂抹层的厚度与断移泥岩层的厚度、泥岩含水量呈正比关系,与断距呈反比关系。这一物理模拟实验研究为揭示断层涂抹层的地下发育规律、定量研究断层对油气的封闭性提供了依据。图4表2参5(吕延防摘)

10.期刊论文吉随旺.张倬元.邓荣贵.宋光润.王凌云.陈强.Ji Suiwang.Zhang Zhuoyuan.Deng Ronggui.Song

Guangrun.Wang Lingyun.Chen Qiang川中红色砂泥岩岩石力学特性研究-地质灾害与环境保护2000,11(1)

对川中白垩系、侏罗系的泥岩、砂岩、泥质粉砂岩的抗压强度进行统计分析,得出红层岩石作为地基时抗压强度的范围值供设计参考,对泥岩、砂岩的其他力学性质进行了评价.

引证文献(2条)

1.张宁.赵阳升.万志军.董付科.冯子军三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2010(1)

2.周创兵.李典庆暴雨诱发滑坡致灾机理与减灾方法研究进展[期刊论文]-地球科学进展 2009(5)

本文链接:https://www.doczj.com/doc/8f15345539.html,/Periodical_yslxygcxb200712003.aspx

授权使用:黑龙江科技学院(hljkjxy),授权号:6839fe96-686e-43c0-9d02-9e1000958be0

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