渗流条件下花岗岩蠕变及本构模型研究

发布时间：2020-08-22 08:29

【摘要】：核电是一种成熟、清洁、可调度和经济的技术,在加强能源供应安全和减缓气候变化过程中正发挥越来越重要的作用。伴随核电事业的高速发展,安全有效地处理和处置高放废物成为了不可回避的问题。深部地质处置高放废物被认为是目前技术可靠、安全可行的处置方法。高放废物地质处置库包含多重屏障位于距地表500-1000m的地下,围岩作为阻止放射性物质进入环境的最后自然屏障,其物理力学性质是决定地质处置库能否长期安全运营的重要因素。综合而言,高放废物地质处置库的围岩所处环境具有埋深大、渗透压大、温度高等特点,短期内受开挖扰动、地下水渗透等因素共同作用,岩体初始应力场出现变化,从而引起围岩力学特性和渗透特性发生变化。并且从长期角度看,地质处置库围岩因地应力、渗流、核素衰变放热、化学侵蚀而导致时效力学特征和渗透特性的改变,也将对处置库的长期安全性能产生显著影响。因此,开展对渗流条件下地下实验室及处置库近场围岩时效力学行为与渗透率演化规律的深入研究,有助于确定合理的工程设计与实施方案,对我国2050年高放废物地质处置库的成功建设与运营具有重要意义。本文首先利用分数阶微积分方法,以低渗介质中常见的非达西渗流问题为研究对象,建立了分数阶Swartzendruber方程,从新的角度分析了非达西渗流现象;以高放废物地质处置库为研究背景,开展了甘肃北山花岗岩三轴压缩条件下的渗流实验,获得了在不同应力条件下北山花岗岩渗透率的演化特征,探讨了渗透率演化内在机理,并分析了体积应变与渗透演化的相关关系,建立了峰值强度前渗透率与体积应力的函数关系;开展了不同围压下的花岗岩分级加载蠕变实验,获得了花岗岩三轴蠕变破坏特征,分析了稳定蠕变、非稳定蠕变阶段下的变形和变形速率,运用分形导数理论建立了考虑损伤演化的花岗岩蠕变本构模型,通过单级加载实验验证了模型的有效性;在此基础上,结合声发射技术开展了花岗岩蠕变渗流实验,获得了流固耦合条件下声发射信号特征、渗透率演化特征和蠕变变形特征,分析了岩石渗透率与变形速率、体积应变之间随时间的演化关系,并对比了蠕变压缩与常规压缩渗透率演化规律的特征;进一步运用基于高斯混合模型的统计方法实现了对声发射事件的聚类分析,得到了稳定蠕变和非稳定蠕变过程中张拉裂纹与剪切裂纹的数量与比例关系,进一步揭示了花岗岩蠕变变形破坏的内在机理;将所构建的分形导数蠕变本构模型拓展到三维空间,并在数值积分化处理后将其嵌入到数值软件计算平台,模拟分析了开挖后深部地下实验室近场围岩蠕变变形及其对渗透率的影响。本文主要的研究工作与成果归纳如下:1.针对低渗介质非达西渗流问题,应用分数阶微积分方法建立了新的非达西渗流运动方程。首先从Darcy定律出发,在Caputo导数定义下运用Laplace变换法得到了幂函数形式的Hansbo渗流运动方程。其次,针对Hansbo方程分段函数区间难以确定的特点,建立了连续函数形式的分数阶Swartzendruber运动方程,并证明了当?(28)1时分数阶方程与原Swartzendruber方程函数表达式一致。最后,基于分数阶导数Swartzendruber运动方程,对膨润土和土石混合体两类介质的实验数据进行了拟合,分数阶渗流模型对两类渗流实验数据吻合结果良好。2.通过开展花岗岩三轴压缩渗流实验,系统研究了花岗岩变形破坏特征与渗透率演化规律。实验结果表明,甘肃北山深部花岗岩的水测初始渗透率在10~(-19)m~2左右,渗透率随应力演化表现为先减小后增加的“V”型演化趋势,其最小值出现在峰值强度前,较初始值下降1个数量级,并在峰值破坏前增大1~2个数量级。建立了渗透率与体积应力的双指数函数数量关系,对峰前实验数据拟合结果效果较好。围压对峰值强度起强化作用,渗透压表现为弱化作用。渗透率下降阶段,围压对渗透率起抑制作用,渗透压起促进作用,而二两者在扩容阶段对渗透率未成规律性影响,说明了花岗岩渗透率演化是由裂纹扩展与贯通所共同决定的。渗透率最小值对应的体积应变小于扩容点处体积应变。3.开展了不同围压下的分级加载三轴蠕变实验。首先得到了花岗岩试件蠕变变形的特征规律,即表现为低围压下的张拉破坏与高围压下的剪切破坏。其次,对瞬时应变与蠕变应变的分析结果表明,前者与偏应力呈线性关系,后者与偏应力成指数关系,并且蠕变变形占比随应力增加呈上升趋势。在此基础上,针对西原模型存在未考虑损伤因素、难以描述加速阶段的问题,根据元件组合原理,引入分形导数理论构建了考虑损伤的蠕变本构方程。通过实验结果验证,该模型可以很好的描述花岗岩三阶段蠕变问题,拟合效果较原西原方程更理想。并且参数取值结果表明,西原方程是新方程的特殊情况。4.结合声发射测试技术,进一步开展了不同围压下的花岗岩蠕变渗流室内实验。在蠕变实验过程中,按相同时间间隔利用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行了测量,并用声发射监测系统实时记录了声发射特征参数。实验结果表明,与三轴压缩渗流规律相似,花岗岩渗透率随偏应力水平的提高总体上呈现先减小后增加的整体趋势。不同点在于,岩样渗透率在体积扩容点前出现了渗透率趋于稳定的阶段,即在该阶段内未出现因体积压缩变形、偏应力增大而导致渗透率减小的现象,渗透率在此阶段基本保持不变;扩容点后,渗透率随体积应变减小而增大,进入加速蠕变阶段,渗透率呈指数增长。论文还分析了裂纹的闭合、扩展与贯通是蠕变条件下花岗岩渗透率分阶段演化的主要原因,得出渗透率与体积应变的量化关系适合以分段函数描述的结论。研究了声发射特征参数中的振铃计数率与能量率,发现两者与蠕变速率呈正相关关系,与围压大小负相关,累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线演化趋势相同。研究结果表明,相较于体积压缩阶段,体积扩容阶段的声发射事件活跃,表现为振铃计数率、能量率的明显增加,可以作为判别加速蠕变破坏阶段的前兆特征。在获得以上认识的基础上,运用高斯混合模型对声发射事件特征参数RA、AF进行了统计聚类分析,得到了蠕变实验中声发射事件对应的裂纹破坏模式。统计聚类结果表明,张拉裂纹是稳定蠕变阶段的主要破坏形式,岩样最终的蠕变破坏是以剪切裂纹数量的显著上升为标志,并且高围压下剪切裂纹为主要破坏形式。5.基于本文建立的变系数分形导数本构模型,将其按三维应力状态进行拓展,并转换为数值积分形式嵌入到OpenGeoSys有限元数值计算平台。以深部地下实验室开挖后蠕变变形过程为工程背景,对蠕变变形及其对近场围岩渗透性能的影响进行了数值计算与分析。数值模拟结果显示,不同围压条件下围岩蠕变变形主要集中在大约3m范围的近场围岩中;随着围压增大,地下实验室顶部和底部近场围岩的蠕变变形相应增大,而围压对侧面的蠕变变形影响较小,且发现稳态蠕变变形对近场围岩渗透性能的影响不明显。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

曲线,岩石力学实验,三轴

验室在复杂应力条件下的渗透性和稳定性分析提供基础数与步骤装置简介轴压缩渗透实验在四川大学新能源与低碳技术研究院法国ial V4 三轴岩石力学实验系统上进行(图 3.1)。该实验系统 3 套独立控制模块组成，可提供最大轴压 500MPa、水压最大可达 50MPa，能够进行单轴和三轴压缩实验、渗验等。采用线性差分位移传感器（LVDT）测量轴向位移石试件中部的环向变形引伸计测量。整套设备能够通过流量等 4 种方式进行加载，可以实时对荷载、位移、试件值进行记录，并能够在实验过程中同步绘制荷载-位移间关系曲线。

示意图,脉冲衰减,原理,容器

其测试原理为(如图3.2)：被测试件连接入口端、出口端两个容器，容器内充满测试流体，施加初始渗透压p0，使得两个容器及试件内部渗透压达到平衡状态；瞬时对入口端容器施加渗透压 p ，在入口端渗透压达到0p p 的同时，关闭入口、出口端阀门，以保证两个容器及试件内部三者联通并与外部隔绝没有流体交换；两个容器由于内部渗透压差 p 的存在，会驱动测试流体经过被测岩石试件发生流动，表现为入口端容器压力逐渐下降到最终平衡压力fP ，出口端压力逐渐上升到fP ；记录入口端、出口端随时间的压力变化值，通过压降公式(3.2)计算指数衰减系数进而得到 k：dtu fu dVP P p eV V (3.2)其中1 1( )f u dkAC L V V

衍射图谱,标准试件,花岗岩

图 3.3 花岗岩标准试件Fig.3.3 Illustration photosofgranite samples衍射物相定量分析技术是测量岩石中各种矿物含量的量分析的理论基础是：物质具有各自独立特征的衍射衍射图谱与其他成分互不相关，矿物试样总体的衍射的衍射图谱叠加而成，单相成分的衍射强度随该相成因而可以根据衍射线强度计算岩石试样的不同矿物成分分析实验设备采用日本理学 TTR-Ⅲ多功能 X 射线“沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物 X 射线衍射分，其中黏土成分相对占比采用“K 值法”计算确定。测试花岗岩岩样的矿物成分为石英、钾长石、斜长石石和黏土，各成分含量占比为 26.0%、18.1%、27和 9.4%。其中黏土矿物成分包括蒙皂石、伊利石和绿为 7%、75%和 18%。花岗岩试件 X 射线衍射图谱见4000[hgyt.asc][hgye.asc][hgyn.asc].3463

【参考文献】