高温后砂岩流变力学特性及渗透演化规律研究

论文摘要

深部地下资源开采和空间利用,诸如煤炭和金属矿物资源开采、地热能开采、核废料地下处置和地下煤气化等工程逐渐成为采矿和岩土工程领域的研究热点和难点。目前主要面临的巨大挑战来自于深部高地应力、高温环境以及不连续结构面对岩石工程长期稳定性以及渗透性的影响。因此,探究这些因素对岩石的长期力学行为的影响规律和内在机制具有十分重要的理论价值和实践意义,故而有必要开展高应力、高温和裂隙对岩石流变力学特性和渗透性影响的基础研究。此外,基于试验规律的数值模拟和理论模型为预测岩石工程长期稳定性提供了巨大便利。鉴于此,本文采用室内试验研究、数值模拟和理论分析的手段对高温作用后砂岩和含不同倾角初始裂隙砂岩的流变力学特性以及流变过程中渗透率的演化特征进行了研究。建立了考虑温度和裂隙倾角影响的非线性弹-粘-塑性流变损伤模型,基于孔隙度和应力与渗透率的理论模型建立了流变-渗透率关系,最后基于试验结果对提出的理论模型进行了验证。主要研究内容和成果如下:（1）对不同高温作用后的砂岩进行了拉伸强度、断裂韧度、单轴和三轴压缩强度及渗透率测试试验,分析了高温对砂岩基本变形和强度参数以及破坏模式的影响规律并得到了定量关系,从微观结构变化及矿物组分变化角度解释了高温作用机理,还对完整砂岩和预制不同初始倾角的单裂隙砂岩进行了单轴、三轴压缩和渗透试验,得到了围压和裂隙倾角对砂岩变形、强度和破坏的影响规律及定量关系。（2）采用三轴流变仪对高温作用后的砂岩和含不同倾角预制裂隙砂岩进行了总时长近220天的分级加载和循环加卸载流变-渗透试验,对比了不同加载方式下砂岩的蠕变特征,分离了瞬时弹性、瞬时塑性、粘弹性和粘塑性变形,获得了温度、应力、裂隙倾角对砂岩流变特性的影响规律及相关定量关系,探讨了流变过程中渗透率演化趋势。（3）基于高温后砂岩和裂隙砂岩的常规三轴压缩和流变压缩试验结果,采用颗粒流离散元程序模拟了试样变形、强度和破坏特征,得到了细观接触模型参数和宏观力学参数的定量关系。（4）基于循环加卸载流变试验分离的不同类型应变提出了可以描述相应变形的非线性流变模型,提出的基于应变能的流变损伤模型可以描述加速流变,利用有效应力原理和应变等效原理提出了考虑初始裂隙倾角影响的流变模型,分析了高温对流变模型参数的影响规律并提出考虑高温影响的非线性流变损伤模型,最后,基于孔隙度和应力与渗透率的关系,建立了流变-渗透率模型并对提出的模型进行了验证。该论文有图132幅,表34个,参考文献281篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 选题背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 主要研究内容及方法
• 2 高温后砂岩瞬时力学特性及渗透演化规律
•   2.1 完整砂岩和预制裂隙砂岩试样制备方法
•   2.2 试验设备及试验方法
•   2.3 高温对拉伸强度的影响规律
• IC的影响规律'>  2.4 高温对断裂韧度K_IC的影响规律
•   2.5 常温单裂隙砂岩常规三轴压缩试验结果分析
•   2.6 高温作用后砂岩常规三轴压缩及渗透试验结果分析
•   2.7 本章小结
• 3 砂岩三轴流变力学特性及渗透演化规律
•   3.1 试验材料及方法
•   3.2 考虑室温波动影响的数据修正方法
•   3.3 弹-粘-塑性应变分离方法
•   3.4 高温作用后砂岩分级加载流变-渗透试验结果分析
•   3.5 高温作用后砂岩循环加卸载流变-渗透试验结果分析
•   3.6 常温单裂隙砂岩循环加卸载流变-渗透试验结果分析
•   3.7 本章小结
• 4 砂岩常规三轴和流变压缩力学行为的数值模拟
•   4.1 PFC2D程序简介
•   4.2 接触模型介绍
•   4.3 高温作用后砂岩单轴及三轴压缩模拟
•   4.4 常温单裂隙砂岩单轴及三轴压缩模拟
•   4.5 砂岩三轴压缩流变力学行为模拟
•   4.6 本章小结
• 5 砂岩非线性弹-粘-塑性流变损伤模型
•   5.1 基本元件模型
•   5.2 可恢复瞬时弹性及粘弹性变形模型
•   5.3 不可恢复瞬时塑性及粘塑性变形模型
•   5.4 考虑初始损伤和加速流变的损伤模型
•   5.5 砂岩流变-渗透率模型
•   5.6 模型验证
•   5.7 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 本文创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡波

导师: 杨圣奇

关键词: 高温,裂隙倾角,流变试验,渗透率,离散元模拟,损伤,流变模型

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金重点项目(51734009),国家自然科学基金面上项目(41272344),江苏省六大人才高峰资助项目(JNHB-090)

分类号: TU45

DOI: 10.27623/d.cnki.gzkyu.2019.000226

总页数: 205

文件大小: 17265K

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