裂隙花岗岩蠕变过程及其渗透性演化的温度效应研究

以甘肃北山花岗岩为研究对象，通过一系列恒定温度和温度变化、渗透压与应力耦合作用下单裂隙试样的蠕变试验及其渗透性实验，调查因温度变化对裂隙岩石蠕变行为、特征以及裂隙面的渗透率、粗糙度等的演化规律的影响。综合运用岩石流变力学、人工智能科学（遗传规划、粒子群）、数值计算方法、渗流力学、热力学、生物细胞演化算法等，建立考虑温度变化、渗透压与应力耦合作用效应的裂隙岩石新型蠕变模型和渗透特性随时间动态演化的模型，提出温度、渗流、应力耦合作用下裂隙岩石蠕变变形过程的三维细胞自动机模拟新方法，为岩体工程的长期安全性评价以及甘肃北山的候选场址的场地适应性评价等提供重要的基础数据、理论支撑和分析工具。

以甘肃北山花岗岩为研究对象，进行了一系列恒定温度和温度变化、渗透压与应力耦合作用下单裂隙试样的蠕变试验及其渗透性实验，调查因温度变化对裂隙岩石蠕变行为、特征以及裂隙面的渗透率、粗糙度等演化规律的影响。综合运用岩石流变力学数值计算方法、渗流力学、热力学、生物细胞演化算法等，建立了考虑温度变化、渗透压与应力耦合作用效应的裂隙岩石蠕变模型，提出了温度、渗流、应力耦合作用下裂隙岩石蠕变变形过程的三维细胞自动机模拟新方法，为岩体工程的长期安全性评价以及核废物贮存库场地适应性评价等提供分析工具，主要研究成果如下：（1）揭示了温度对裂隙花岗岩渗透性和蠕变行为的影响规律：温度从常温升高到90度左右时，裂隙面法向有较大的压缩蠕变变形；当温度从90度左右降低到常温的过程中，裂隙面法向蠕变变形很小。由于温度的影响，裂隙的渗透性在流变过程中波动比较显著；（2）建立了渗流-应力作用下裂隙花岗岩各向异性蠕变模型：在经典弹黏塑性理论的基础上，提出黏塑性流动系数张量表达式，建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型，将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中，开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP)；（3）建立了粗糙单裂隙面渗流模拟的细胞自动机方法：采用细胞自动机自组织演化算法生成天然裂隙面，较好的反映了天然裂隙面固有的死端空隙、孤岛以及迂回曲折的导水通道等特征；（4）建立了基于概率配点法的岩石破坏行为不确定性分析方法：引入基于KL展开的概率配点法（PCM），并与岩石破裂过程分析的弹塑性细胞自动机（EPCA）数值模拟系统进行解耦，来对岩石的破坏行为进行随机分析。（5）揭示了应力路径对裂隙花岗岩渗透性的影响规律：在围压加载过程中，渗流流量与渗透压差大致呈线性关系；渗透压差相同的条件下，围压越小，流量越大，随着围压上升，裂隙渗流流量持续减小，但随着围压的进一步增大，流量的减小有减缓的趋势；(6) 建立了三维温度－渗流－应力耦合弹粘塑性细胞自动机模拟平台（THM-EPCA3D-EVP）：基于EPCA3D-EVP，嵌入温度和渗流模拟模块，初步建立了三维THM耦合模拟平台，并应用于国际合作项目DECOVALEX-2011 Task B的Aspo硬岩岩柱热力耦合稳定性分析，获得了与现场实验结果和国际上其它大多数研究小组模拟结果相吻合的研究成果，较好的验证了本项目所建立的模型和模拟程序。