低孔隙度巖石細(xì)觀本構(gòu)模型及損傷-滲流耦合研究

低孔隙度巖石細(xì)觀本構(gòu)模型及損傷—滲流耦合研究多場耦合問題的研究近年來成為現(xiàn)代巖石力學(xué)的一個(gè)重要分支，其原因是該領(lǐng)域的研究涉及到諸多工程應(yīng)用，如核廢料處置、石油二次開采、二氧化碳地下封存、高壩壩基安全性評估等等。目前該領(lǐng)域在數(shù)學(xué)模型、原位實(shí)驗(yàn)、計(jì)算程序三個(gè)方面取得了一定的進(jìn)展，對巖石、結(jié)構(gòu)面、巖體耦合機(jī)制的研究仍需進(jìn)一步完善。就巖石而言，學(xué)者們致力尋求一個(gè)可以完全描述應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中滲透率種種變化規(guī)律的模型，尤其希望模型能夠正確反映出巖石損傷引起的滲透率各向異性演化。本文選擇低孔隙度巖石作為研究對象，采用細(xì)觀力學(xué)作為研究工具，全面展開本構(gòu)模型和滲透率演化模型的研究。論文的主要研究成果和研究工作歸納如下：(1)對當(dāng)前巖石力學(xué)中常用建模理論、荷載(變形)引起的滲透率演化模型、數(shù)值方法進(jìn)行綜述。對比損傷力學(xué)中的兩個(gè)分支：連續(xù)損傷力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)，陳述本文選用細(xì)觀損傷力學(xué)建立本構(gòu)模型和滲透率演化模型的因由。指出現(xiàn)有的巖石和巖體滲透率演化模型的不足之處，在此基礎(chǔ)上提出本文的研究思路和研究方法。(2)選用基于應(yīng)變的數(shù)學(xué)格式建立巖石的細(xì)觀本構(gòu)模型。在歸納出低孔隙度巖石三軸試驗(yàn)各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了建模的預(yù)期目標(biāo)。敘述了建模的步驟、REV尺度的確定以及所采用的巖石概念模型：將巖石視為巖石基質(zhì)和微裂紋系統(tǒng)組成的二元介質(zhì)。把微裂紋分為張拉／壓剪兩類，建立了張拉／壓剪微裂紋的判別準(zhǔn)則，在應(yīng)變空間中對判別準(zhǔn)則進(jìn)行表達(dá)。對張拉微裂紋進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)分析，推導(dǎo)了張拉微裂紋擴(kuò)展的判別準(zhǔn)則和演化方程。應(yīng)用能量原理推導(dǎo)了張拉微裂紋的四階均勻化剛度張量和四階切線均勻化剛度張量。(3)在評述當(dāng)前常用的微裂紋滑移準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出了本文的滑移準(zhǔn)則，考慮了微裂紋滑移引起的裂紋面法向膨脹，以及由法向膨脹引起的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，闡明了滑移-擴(kuò)展相互影響的細(xì)觀力學(xué)機(jī)制。推導(dǎo)了壓剪微裂紋的四階切線均勻化剛度張量，通過球面積分推導(dǎo)了含微裂紋系統(tǒng)的增量本構(gòu)表達(dá)式。編制了相應(yīng)的程序模擬三軸拉伸試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)，對模型的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。從細(xì)觀機(jī)理上對計(jì)算結(jié)果的進(jìn)行詳細(xì)的分析和解釋。(4)總結(jié)低孔隙度巖石三軸壓縮過程中滲透率的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出巖石的4階段滲透率演化概念模型，以此作為滲透率演化模型的建模目標(biāo)。對影響巖石滲透率的兩個(gè)因素：單條微裂隙開度和微裂隙系統(tǒng)的連通率展開討論，將單裂隙隙寬的變化拆分為彈性壓縮、剪切滑移引起的法向膨脹、裂隙擴(kuò)展引起的法向膨脹三個(gè)部分，推導(dǎo)了應(yīng)變空間描述的隙寬演化表達(dá)式；推導(dǎo)了損傷過程中連通度的演化方程。編制了相應(yīng)的程序用對滲透率演化模型的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，從微裂隙的細(xì)觀運(yùn)動機(jī)制上對數(shù)值模擬的結(jié)果做出詳細(xì)的解釋。(5)通過試驗(yàn)驗(yàn)證提出的本構(gòu)模型和滲透率演化模型。選取南京大理石試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，采用提出細(xì)觀本構(gòu)模型對試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬的結(jié)果和試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的正確性。對其他文獻(xiàn)中的花崗巖、砂巖試驗(yàn)成果進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證模型的普適性。分析兩組深部花崗巖的滲透率演化試驗(yàn)成果，用提出的滲透率模型對試驗(yàn)成果進(jìn)行模擬，并與Souley的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，給出兩種滲透率模型的評述。定性分析洛古玄武巖三軸壓塑過程中的滲透率演化的規(guī)律，采用本文的滲透率演化模型對其進(jìn)行數(shù)值模擬，并給出評述。(6)借助于ABAQUS的二次開發(fā)功能，將提出的