岩体开挖损伤区的热—流—力耦合模型研究

论文摘要

地下岩体工程的开挖必然在巷道周边形成开挖损伤区。开挖损伤区的形成及后续的时空演化过程是一个温度场、渗流场、应力场和损伤场相互耦合作用的过程。认清开挖损伤区的物理力学性质及其时空演化规律,对于工程稳定性和安全性评价及支护参数优化是至关重要的。针对能源深部战略储备和核废料深部地下处置等工程问题,近年来岩体开挖损伤区表征及其热(Thermal)—流(Hydraulic)—力(Mechanical)(简称为THM)耦合模型方面取得了较大的进展。考虑岩体的损伤,在THM耦合模型中引入损伤变量,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。借助有限元软件COMSOL Multiphysics (CM),通过有限元编程实现该模型的数值求解。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,证实了CM求解THM耦合方程的有效性；通过含圆形孔洞的方形岩石试样在单轴压缩条件下损伤过程的数值模拟,验证了文中提出的考虑损伤过程的THM耦合模型的正确性。开展了流固耦合环境下岩体开挖损伤区的预测研究,数值模拟表明,圆形巷道在HM耦合条件下的损伤区一方面受控于地应力条件(侧压力系数),渗流场的作用亦会对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。最后针对核废料处置巷道所处地质环境条件,进行含裂隙岩体在温度作用下开挖损伤区的演化规律研究,数值模拟表明,裂隙的存在以及温度的作用都会对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 立项依据
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 开挖损伤区的现场测试
• 1.2.2 基于声发射/微震的损伤区监测方法
• 1.2.3 THM多物理场耦合问题的研究
• 1.2.4 损伤过程中的多物理场（THM）耦合效应
• 1.3 本文研究思路及研究内容
• 第二章 损伤过程中的THM耦合模型
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 力平衡方程
• 2.1.2 渗流方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 初始条件和边界条件
• 2.2 场变量对THM参数的影响
• 2.3 损伤对于THM参数的影响
• 2.4 方程的有限元实施（COMSOL MULTIPHYSICS简介及其有限元编程）
• 2.5 CM求解THM耦合方程的验证
• 2.6 CM求解损伤程序的验证
• 2.6.1 背景实验介绍
• 2.6.2 实验模型介绍
• 2.6.3 数值模型的建立
• 2.6.4 数值模拟结果
• 2.7 本章小结
• 第三章 流固耦合条件下巷道开挖损伤区的预测
• 3.1 基于统计分布的岩体参数赋值方法
• 3.2 地应力条件对损伤区的影响
• 3.3 渗流场对损伤区的影响
• 3.4 介质非均匀性对损伤区的影响
• 3.5 本章小节
• 第四章 THM耦合作用下开挖损伤区的演化规律
• 4.1 基于数字图像处理技术岩体非均匀性表征技术
• 4.2 核废料处置巷道的数值模型的建立
• 4.3 裂隙对开挖损伤区演化过程的影响
• 4.4 温度场对于开挖损伤区的影响
• 4.5 本章小节
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介