基于离散元流—固耦合优化算法的岩石渗透破裂机理研究

发布时间：2020-04-25 17:52

【摘要】：岩土工程稳定性问题以及二氧化碳封存、核废料处置、页岩气开采等环境和能源问题,都与国计民生息息相关,受到了广泛关注,而这些重大工程都涉及到流体与固体之间的相互耦合,因此,对流-固耦合问题的深入理解具有非常重大的现实意义。然而,在流-固耦合问题的试验研究中,由于试样尺寸、实验仪器和操作工艺等限制,很多实际工程中的流-固耦合情况难以在实验室中重现。此外,在实验室中,对试样内部流体与固体细观尺度上的演化情况的实时监测难以实现,从而不利于对流-固耦合细观机制的研究。相较于室内试验,数值模拟方法更经济、高效和灵活,精细全面的监测更有利于对细观机制的研究,是室内试验的一种有效补充研究手段。离散元方法由于对大变形问题的适用性,在岩土工程问题中得到了广泛应用。优化和改进离散元方法中流-固耦合的实现方法,对取得更加真实有效的模拟效果具有重要意义,是一项值得深入研究的课题。本文以优化改进离散元流-固耦合算法为中心,通过试验研究、理论推导和数值模拟来对改进的流-固耦合算法进行支撑、验证和应用,得到了以下主要进展和结论:(1)基于颗粒流程序中的平行黏结模型,编写了流-固耦合算法,实现了岩石中的流-固耦合行为,开展了渗透细观机理的研究,揭示了孔隙结构和裂隙结构对块体整体渗透性的影响,并通过对比前人经验结论验证了流-固耦合算法的合理性。(2)针对原离散元流-固耦合算法中大位移情况下流动网络破坏且其不能反映裂隙导流优势等问题,优化改进了流-固耦合算法。分别建立了黏结系统和裂隙系统,针对各自特点定义流动网络,避免了由于大变形导致的流动网络破坏的问题。通过对裂隙系统和黏结系统分别建立流动方程,体现了流体在基质和裂隙中的不同流动行为。(3)根据三轴压缩-渗透试验建立了稳态渗透模型,分别利用原流-固耦合算法和改进流-固耦合算法开展了模拟研究。通过对比试验结果,发现改进的流-固耦合算法能够更好的反映试样在三轴压缩-渗透过程中的逾渗现象。对三轴压缩不同阶段试样在渗透过程中的流速与孔压分布进行了监测,揭示了流体在基质与裂隙中的运移规律。(4)开展了对大理岩完整试样和单裂隙试样在不同围压下环向变形和渗透率的试验研究。通过对环向变形数据的分析处理,得到了裂隙张开度与围压的关系曲线。基于节理刚度的定义,推导了节理张开度-有效应力关系模型,继而以立方定律为桥梁得到了渗透率-有效应力关系模型。通过对试验结果的拟合,验证了基于节理刚度的张开度-有效应力模型和渗透率-有效应力模型的有效性。(5)利用基于节理刚度的张开度-有效应力模型,建立了新的流-固耦合本构关系。利用改进的流-固耦合算法建立了水力压裂模型,开展了对完整试样和节理试样水压致裂的数值模拟研究,分别从宏观现象上和细观机制上进行了流-固耦合分析。研究了大量不同工况下的节理岩体水压致裂行为,总结了水力裂隙与节理的相互作用模式。利用离散元模拟中细观尺度的力场监测,分析了节理、水力裂隙和偏应力对力场的影响,揭示了节理岩体中水力裂隙的扩展机理。
【图文】：

路线图,路线,研究技术

研究技术路线

示意图,模型,示意图,线弹性

图 2-1 PFC2D 模型示意图Fig. 2-1 Sketch of PFC2D model型all 和 Strack[120]基于离散元提出了线性模型，，主要用来模线性接触模型（Linear Model）由线性元件和阻尼元件性元件为一个具有恒定正向刚度（）和切向刚度（拉力，通过一个摩擦系数（）对弹簧的剪切力施加一，由此可以用来描述线弹性变形行为和摩擦行为。阻尼（）和切向临界阻尼比（）的阻尼器，由此来描述粘通过并联连接来共同作用的。阻尼力 ( d)，黏性线性力 ( l)，线弹性
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45

【相似文献】