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基于模拟的水岩耦合变形破坏过程及机理研究

李根  
【摘要】:水岩耦合变形破坏的本质就是固体材料的损伤破坏过程与流体的湍流问题,而这是物理力学中公认的世纪难题。水岩耦合变形破坏除了是基础科学中的前沿和热点课题外,也是许多应用研究中的核心内容和亟需解决的关键问题,如水压致裂。同时,水压致裂又是资源开采、能源开发等诸多工程领域里必须要面对的核心问题。因此说,水岩耦合变形破坏问题占据着科学与应用研究的核心位置,意义重大。本文以数值模拟为基本研究手段,以当前研究中面临的一些具体问题和挑战为背景,以系统形成有效分析方法并实现工具化为基本出发点,以水压致裂研究中的两个前沿课题(砂砾岩水压致裂和水压致裂过程全三维计算)为研究对象,以深入认识裂纹扩展规律特性,揭示水岩耦合破坏机理机制为研究目标,以分析裂纹萌生、扩展和相互作用各阶段的特征形貌及一些关键指标为主要着眼点,开展了详细研究。完成了以下主要内容: (1)依托基于细观统计损伤理论发展起来的岩石破裂过程分析RFPA (Realistic Failure Process Analysis)方法,结合新建立的可考虑细观单元损伤诱致渗透系数演化模型,组成水-岩耦合细观统计损伤分析方法。对三维圆柱模型在常水头差作用下变形破坏全过程进行了分析,并将所得结果与已有物理实验成果对比,不仅较好地反映出破坏形貌的基本特征,而且较好地反映出试件在弹性变形阶段渗透性减小、非线性变形阶段渗透性增大和脆性失稳时渗透性陡然激增等典型特性。同时,也反映出分析方法和理论模型的良好表现。 (2)提供了从单元水平克服水(渗流)-岩(变形)全耦合方程组FEM (Finite Element Method)低阶单元求解发散的思路。并由此应用四边形面积坐标理论,结合广义协调原理和修正技术,从分区最小势能原理出发,构造了一款低阶平面四边形参变量新单元。继而对单元进行了广泛测评,结果表明:新单元不仅有效克服了求解发散,而且自身固体力学性能优良,使用灵活(通过参变量β调节)。同时,对缓解一个有限元难题(通过常应力/应变分片检验的四结点单元在弯曲问题中表现欠佳,而在弯曲问题中表现非常好的单元无法通过强分片检验)也提供了有益思路。 (3)针对计算力学中的一个经典课题和CAE (Computer Aided Engineering)/CAM (Computer Aided Manufacturing)软件的关键技术之一,有限元大规模线性方程组的快速求解问题,给出一种极高效的改进对称超松弛预处理共轭梯度法(SSOR-CG)。该算法保持了原始算法的收敛稳健性和固有并行性。理想情况下比原始算法节约计算量近50%,且适用于高性能计算,具有固有的高效操作性。测试算例结果很好地证明了这一点。 (4)针对国内目前尚没有专用于计算水岩耦合作用下损伤变形直至破裂全过程的并行应用程序系统,基于水-岩耦合细观统计损伤分析方法,依托Windows平台运行的RFPA主程序框架与在集群Linux平台上开发的多级混合并行FEM耦合计算程序(模块),组成水岩耦合损伤演化并行分析系统。通过算例测算了分析系统的并行FEM求解器性能,结果表明:在启动合理进程情况下计算可达最佳效果,加速比接近线性、效率较高,默认精度下千万自由度(300万单元)渗流-应力耦合一步计算稳定在200s左右。最后,采用该系统分别对两种不同属性的岩石试件单轴压缩过程展开精细模拟研究,从数值研究角度丰富了对细观岩石脆性损伤演化进程、裂纹扩展及相互作用规律的认识。 (5)对砂砾岩水压致裂裂缝扩展机制特性问题进行了广泛而系统的研究,考虑的影响因素包括:不同砾石含量、砾石粒径、砾石力学性质和不同围压应力水平。着重研究了这些因素对模型起裂压力、失稳压力、裂纹形态和延伸规律的影响;深入剖析了裂纹起裂、扩展和相互作用过程中的力学机理;研究了Ⅰ、Ⅱ型裂纹的相互影响转化机制。最后,还通过建立的力学模型定性分析讨论了砾石含量、砾石力学性质和不同围压应力水平对应力集中、微裂纹分布和失稳压力的影响。 (6)应用水岩耦合损伤演化并行分析系统,对实验室尺度模型进行了四种不同应力状态下的水压致裂过程全三维数值模拟研究。分析了各应力状态下的裂缝延伸儿何形态规律,揭示了其中蕴含的机理机制。此外,还深入讨论了三维裂缝扩展特征、影响因素、失稳与水力梯度场的关系以及声发射规律等问题。


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