岩体中热_水_力耦合模型的新进展

中文摘要

I

摘 要

随着国家经济建设的发展，越来越多的岩石工程涉及到多场耦合问题，裂隙

岩体温度场-渗流场-应力场的耦合问题已经成为当前岩石工程的研究热点和研究

难点。由于实际岩石工程中裂隙岩体多场耦合作用所处地质环境的复杂性，以及

室内试验方法的局限性，数值模拟方法是目前研究裂隙岩体多场耦合作用最有效

的手段之一。近场动力学理论是一种非局部理论，它采用空间积分法描述物质力

学行为，在求解不连续问题时能够有效的避免解微分方程而产生的奇异性问题，

对于处理材料的不连续问题具有较大的优势，同时由于近场动力学基于非局部理

论，能很好的模拟热传导与地下水的渗流问题。本文根据近场动力学的基本原理，

建立了裂隙岩体破裂过程中温度场-渗流场-应力场耦合的数值计算模型，并编制相

应的计算程序对该模型进行了验证和分析，论文主要的研究工作如下：

① 通过在基于键作用的近场动力学理论中引入切向键以模拟材料的剪切变

形，从微观机理上完善了基于键作用的近场动力学本构模型，建立了近场动力学

微观力学参数与宏观弹性常数之间的关系。根据近场动力学柯西应力张量，建立

了基于非普通状态的近场动力学理论损伤破坏模型，将物质点上的应力转化为键

上的应力，并运用最大拉应力强度准则、莫尔-库仑强度准则双剪强度准则来判断

键的破坏与否，再将每个物质点上断裂的键的数量与该物质点上包含键的总数的

比值作为该物质点的损伤函数。该模型成功的运用于模拟岩石三维裂纹的起裂、

扩展和连接，并且得到了岩石破裂过程的应力应变曲线。

② 根据热传导理论，并运用欧拉-拉格朗日方程推导了基于非局部理论的近场

动力学热传导方程，建立了近场动力学微导热系数与材料宏观导热系数之间的关

系；运用材料的热膨胀特性，将根据近场动力学热传导方程求解出的温度场转换

为近场动力学物质点的变形梯度张量，再将变形梯度张量代入非普通状态近场动

力学的力状态函数中，从而实现了岩体温度场与应力场的耦合。

③ 根据达西定律，推导了基于非局部理论的近场动力学渗流基本方程，运用

第18卷第3期铁道科学与工程学报Volume18Number32021年3月JournalofRailwayScienceandEngineeringMarch2021DOI:10.19713/ki.43−1423/u.T20200380

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石

水力致裂细观机理研究

张权1，饶秋华1，沈晴晴1，谭攀1，李鹏2

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2.中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

摘要：针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题，采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法，模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程，分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律，并揭示其细观断裂机理。研究结果表明：数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时，水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展，与交叉裂纹贯通或不贯通，细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力，易形成网状裂纹，有利于提高资源开采效率。关键词：颗粒流软件(PFC2D)；平直节理模型；交叉裂纹；水力致裂；细观机理中图分类号：TU45文献标志码：A文章编号：1672−7029(2021)03−0669−09

Mesoscopicmechanismofhydraulicfractureofrock-likematerialwithcrosscrackbasedonparticleflowcode

ZHANGQuan1,RAOQiuhua1,SHENQingqing1,TANPan1,LIPeng2

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.PowerChinaZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changsha410014,China)

第２９卷第４期　、，ｏ】．２９　Ｎｏ．４　辽宁工程技术大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　２０１０年８月　Ａｕｇ．　２０１０　

文章编号：１００８－０５６２（２０１０）０４—０５８６—０３　

深部开采工程中渗流一损伤一应力耦合模型　

景海河，高红梅，周莉　（黑龙江科技学院建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５００２７）　摘要：为了研究地应力场、损伤对渗流场深部岩体的影响问题，从理论上分析了岩体渗流运动的基本规律，引　入岩体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含岩体开挖过程固气．损伤耦合作用模型。　应用该模型模拟分析了深部采动中岩体渗透性的演化规律。结果表明：在开采过程上覆岩层应力增大、变形增大，　

岩体垮落现象明显，并伴随着岩体渗透性迅速增大，应用该耦合模型解决实际工程和现场实际观测结果比较吻合。　关键词：深部开采：渗流；应力；耦合模型　中图分类号：ＴＤ　７４５　文献标识码：Ａ　

ＯＵｌｇｌｌｎｇ　ａｍｏｎｇ　ｓｅｅｐａｇｅ－ｄａｍａｇｅ－ｓｔｒｅＳＳ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｍｌｎｌｎｇ　▲　一　一　ｌ　一　一　＾　一　ＪＩＮＧ　Ｈａｉｈｅ，ＧＡＯ　Ｈｏｎｇｍｅｉ，ＺＨ０Ｕ　Ｌｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００２７，　

Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｒｏｃｋ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｂｙ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｄａｍａｇｅ，ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｓｅｅｐａｇｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｈａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　

岩体力学研究内容简介

岩体力学是力学的一个分文学科， 是研究岩体在各种力场作 用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学， 是一门应用型 基础学科。

岩体力学的研究对象是各类岩体， 而服务对象则涉及到许多 领域和学科。如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防 工程、海洋工程、重要工厂 （ 如核电站、大型发电厂及大型钢铁 厂等 ）以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都 应用到岩体力学的理论和方法。 但不同的领域和学科对岩体力学 的要求和研究重点是不同的。概括起来，可分为三个方面：①为 各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学， 重点是研究工程活 动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体 （ 如

边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等 ）的变形和稳定性。②为 掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学， 主要是研究岩石的切割 和破碎理论以及岩体动力学特性。 ③为构造地质学、 找矿及地层 预报等服务的岩体力学， 重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂 机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间 效应有关的流变特征。 以上三方面的研究虽各有侧重点， 但对岩 石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。

由于岩体力学的研究对象， 不是一般的人工材料， 而是在天 然地质作用下形成的地质体。 又由于岩体中具有天然应力、 地下 水等，并发育有各种结构面，所以它不仅具有弹性、脆性、塑性 和流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向 异性等特征。对于这样一种复杂的介质， 不仅研究内容非常复杂， 而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。

一、研究内容 由于岩体力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性， 决定 了岩体力学研究的内容也必然是广泛而复杂的。从工程观点出

发，大致可归纳为如下几方面的内容。

(1) 岩块、岩体地质特征的研究。岩块与岩体的许多性质， 都是在其形成的地质历史过程中形成的。 因此、 岩块与岩体地质 特征的研究是岩体力学分析的基础。 主要包括； ①岩石的物质组 成和结构特征；