水力耦合作用下裂隙岩体近场动力学模拟研究

As an emerging solid mechanics developed in recent years, peridynamics is being gradually applied in rock mechanics on account of its advantage of solving discontinue problems. Crack-weakened rock is taken as the research object, based on the peridynamics, the Hydro-Mechanical coupling model of crack-weakened rock is established. According to the principle of mass conservation, the relation between peridynamic permeability coefficient and crack permeability coefficient is confirmed. Base on the porous media mechanics, the relation between variation of hydraulic head and variation of water volume is confirmed. The crack-weakened rock seepage flow model based on peridynamics is established. The deformation increment caused by the change of hydraulic head is introduced to the peridynamic constitutive equations. The relationship between stress field and peridynamic permeability coefficient is confirmed. The Hydro-Mechanical coupling model of crack-weakened rock is established. According to statistical mechanics, the damage function of material point is derived. The damage model of crack-weakened rock is confirmed. The Hydro-Mechanical coupling model of crack-weakened rock which considered the damage model is established. The crack propagation evolution law of crack-weakened rock under different loading condition are analyzed.

近场动力学作为近年发展起来的一门新兴固体力学理论，由于其在求解非连续问题的上的优势，正被逐渐应用到岩石力学领域。本项目以裂隙岩体为研究对象，利用近场动力学理论，实现水力耦合作用下裂隙岩体近场动力学数值模拟。利用质量守恒原理，确定近场动力学渗透系数与实际裂隙渗透系数之间的关系，根据多孔介质力学理论，确定物质点中水头增量与水体积增量的关系，建立基于近场动力学理论的裂隙岩体渗流模型。将由于裂隙水水头变化而引起的岩体变形增量引入近场动力学本构方程中，确定应力场与近场动力学渗透系数之间的关系，建立水力耦合作用下裂隙岩体近场动力学数值计算模型。运用统计力学原理，构建近场动力学物质点的损伤函数，建立基于近场动力学理论的裂隙岩体损伤破坏模型。建立考虑损伤的水力耦合作用下裂隙岩体近场动力学数值计算模型，分析不同加载条件下裂隙岩体在水力耦合情况下裂纹的扩展演化规律。

裂隙岩体水力耦合现象普遍存在于深部矿产资源开采、裂隙性油藏开发、水电工程引水隧洞、公路铁路隧道等地下工程，而这类工程的设计、施工和加固又依赖于对岩体强度、变形、渗透特性及破坏规律等特征的研究。本项目针对裂隙岩体水力耦合作用机理、数值模拟方法等进行了深入研究。首先，利用基于非局部理论的近场动力学方法构建了裂隙岩体近场动力学渗流模型，提出了近场动力学水力“键”，导出了近场动力学渗流平衡方程，实现了对岩体稳态渗流过程的模拟；其次，开展了近场动力学渗透系数研究，建立近场动力学微观渗透系数与实际岩体裂隙宏观渗透系数之间的数学关系；第三，提出了一个适用于裂隙岩体的近场动力学损伤模型，在非普通态基近场动力学理论框架下，根据物质点上的应力状态，导出了“键”的应力状态，并以最大拉应力强度准则、莫尔-库仑强度准则和双剪强度准则为判据确定键是否断开，从而实现了对岩石二维和三维裂纹的起裂、扩展和连接全过程模拟；第四，基于多孔介质理论和近场动力学理论，建立了裂隙岩体水力耦合近场动力学数值计算模型，通过引入Hydraulic-Bond创新性地将“键”作为岩体裂隙水的流动通道，同时又作为岩体内力的传递途径，并引入多尺度时间积分方法，从而实现了裂隙岩体水力耦合的数值模拟。最后，提出了物质点损伤演化过程渗流-应力耦合模型，通过引入“裂隙键”区分完整岩石和岩石裂隙，实现了模型程序算法中自动识别完整岩石和岩石裂隙，成功解决了裂纹自动扩展时孔隙水压自动随裂纹尖端扩展的问题，实现了模拟岩石水压致裂过程。综合上述成果，本研究为地下工程中富水裂隙岩体水力耦合数值分析提供了高效的分析工具，为探讨裂隙岩体水力耦合作用及灾变机制奠定了坚实的工作基础。本项目资助发表SCI论文8篇，EI论文3篇，申请发明专利4项，协助培养硕士研究生2名。