热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的强度准则与有限元分析

Under the conditions of certain confining pressures, temperatures ,water heads and solute concentrations, the tests of axial loading - seepage are carried out for the similar rock specimen with single pore , single fracture and dual- pore-fracture respectively, and the complete stress-strain curves, the changes of seepage flow and solute concentration are measured; the Mohr-Coulomb strength criterion for dual- pore-fracture media bearing thermo-hydro-mechanical-migratory coupling is established, and the permeability coefficients, water storage rates, retardation factors , diffusion coefficients and so on are obtained; the relative two-dimensional and three-dimensional FEM codes are developed; aiming at the results of laboratory and in-situ experiments at home and abroad, the comparing computations are made in order to verify the correctness of the strength criterion suggested and the FEM codes developed . Through this research the knowledge on mechanisms of the highly nonlinear coupled thermo-hydro-mechanical-migratory phenomenon in dual- pore-fracture media can be deepened and expanded, and the relevant theories can be enriched, perfected and some new concepts can be innovated. Application of the results of this research can hopefully make the design and construction of geological disposal projects for high-level radioactive nuclear waste in ubiquitous-joint rock masses like granite and so on be more safe, reliable and economic, meanwhile the research results also have higher reference values for the study of strength and stability problems of rock masses involved in the fields of enhanced geothermal systems, CO2 capture and storage and oil exploration in deep strata and so on.

在一定的围压、温度、水头和溶质浓度条件下, 对单一孔(裂)隙和双重孔隙-裂隙类岩石试样进行轴向加载及渗流试验, 量测应力-应变全过程曲线、渗出流量及其溶质浓度的改变；建立热-水-应力-迁移耦合条件下的双重孔隙-裂隙介质的Mohr-Coulomb强度准则，以及得出弹性阶段、塑性阶段对应的渗透系数、贮水率、阻滞系数和扩散系数等；开发相应的二维及三维弹塑性有限元程序；针对国内外的室内和现场试验结果进行对比计算,以检证所建强度准则和程序的正确性。本研究可深化和拓展对高度非线性的双重介质中热-水-应力-迁移耦合现象机理的认识，充实、完善与创新相关的理论。其成果的应用有望能使得建在花岗岩等遍有节理岩体中的高放射性核废物地质处置工程的设计与施工更加安全、可靠与经济。同时所得成果对增强型地热系统（EGS）、CO2地质封存（CCS）、深层石油开采等领域中涉及的岩体强度及稳定问题的研究也具有较高的借鉴价值。

在已有的热–水–应力–化学耦合研究中，虽然涉及到了材料中的损伤、塑性及破坏现象，但没有计入温度场的影响且不区别基岩和裂隙对强度的不同“贡献”。对于一般的双重孔隙-裂隙介质模型而言，其总体强度应考虑基质强度和裂隙强度的组合构成，且在热–水–力–化学耦合条件下还应计入温度、孔隙水压力和溶质浓度对混合介质强度的影响，然而到目前为止还没有人提出过这样的混合介质强度模型。故需要发展和建立新的热–水–力–化学耦合条件下的双重孔隙-裂隙介质的强度准则。. 本研究的主要内容：应用复合材料的强度概念，建立热-水-应力-迁移耦合条件下的双重孔隙-裂隙介质的强度准则，研制相应的热-水-应力-迁移耦合二维及三维有限元程序， 进行数值模拟，考察多场耦合作用下双重介质的弹塑性动态及温度、应力、渗流和溶质浓度的变化。. 所取得的重要结果：建立了热-水-应力-迁移耦合条件下的双重孔隙-裂隙介质的Mohr-Coulomb强度准则，其新意在于：等效内摩擦角保持为常数，而等效黏聚力是其固有值、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数；针对所建立的双重孔隙-裂隙介质的强度准则，开发出相应的热-水-应力-迁移耦合二维及三维弹塑性有限元程序各一套；就塑性扩容梯度、岩体强度的各向异性、塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度、压力溶解、孔隙率等因素的作用进行了数值模拟；将所建立的单一力场作用下双重孔隙-裂隙介质的Mohr-Coulomb强度准则与Pietruszczak等提出的微结构-无迹张量结合起来，研制了相应的三维弹塑性有限元程序；对于双重孔隙-裂隙介质，建立了相应的西原流变模型，其中的瞬弹、粘弹及粘塑性元件由岩块和节理的相应成分串联组成，可计入裂隙的组数、间距、方向和刚度对双重介质本构关系的影响，并且开发出该模型的二维有限元程序。. 本研究可深化和拓展对高度非线性的双重孔隙-裂隙介质中热-水-应力-迁移耦合现象机理的认识，充实、完善与创新相关的理论。其成果的应用有望能使得建在花岗岩、凝灰岩类岩体中的高放废物地下处置工程的设计与施工更加安全、可靠与经济。