（采矿工程专业论文）岩体开挖损伤区的热流力耦合模型研究.pdf

1f 、工 乒； o ，、土 叫1-， ad i s s e r t a t i o ni nm i n i n ge n g i n e 嘶n g c 0 u p l e dt h e r m a l ，h y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a l ( t h m ) m o d e l f o re x c a v a t i o nd a m a g e dz o n ei n r o c k m a s s b yc h e n h u iw r e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw ，觚c h e l l gz h u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j u l y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 ，作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 1 意。 - 学位论文作者签名：叠燃 日 期：删牟1 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：貌蔗垫 签字日期：御啊牟1 月3 日 导师签名：g 荔q 签字醐：抄扩一7 ，弓 t-i-t y 一i - ， 东北大学硕士学位论文 摘要 岩体开挖损伤区的热一流一力耦合模型研究 摘要 地下岩体工程的开挖必然在巷道周边形成开挖损伤区。开挖损伤区的形成及后续的 时空演化过程是一个温度场、渗流场、应力场和损伤场相互耦合作用的过程。认清开挖 损伤区的物理力学性质及其时空演化规律，对于工程稳定性和安全性评价及支护参数优 化是至关重要的。针对能源深部战略储备和核废料深部地下处置等工程问题，近年来岩 体开挖损伤区表征及其热( 1 1 1 锄a 1 ) 一流( h y 出a u l i c ) 一力( m e c h a i l i c a l ) ( 简称为t h m ) 耦合模型方面取得了较大的进展。 考虑岩体的损伤，在n 似耦合模型中引入损伤变量，提出岩体损伤过程中的删 耦合模型。借助有限元软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s ( c m ) ，通过有限元编程实现该模型 的数值求解。通过把均匀弹性介质t h m 耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比， 证实了c m 求解删耦合方程的有效性；通过含圆形孑l 洞的方形岩石试样在单轴压缩 条件下损伤过程的数值模拟，验证了文中提出的考虑损伤过程的t h m 耦合模型的正确 性。 开展了流固耦合环境下岩体开挖损伤区的预测研究，数值模拟表明，圆形巷道在 h m 耦合条件下的损伤区一方面受控于地应力条件( 侧压力系数) ，渗流场的作用亦会 对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。最后针对核废料处置巷道所处地质环境条件， 进行含裂隙岩体在温度作用下开挖损伤区的演化规律研究，数值模拟表明，裂隙的存在 以及温度的作用都会对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。 关键词：岩体；开挖损伤区；热流一力( t 蹦) 耦合；数值模拟；裂隙 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o u p l e dt h e m l a l ，h y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a l ( t h m ) m o d e lf o r e x c a v a t i o nd a m a g e dz o n ei nr o c l ：1 a s s a bs t r a c t t h ec r e a t i o no f 孤e x c a v a t i o nd 锄a g e dz o n e ( e d z ) i se x p e c t e da r o u i l da l lm a i l m a d e o p 砌n g smg e o l o 百cf o 肌a t i o 璐t h ef o 珊a t i o n 锄di t ss u b s e q u e n ts p a t i a la i l dt 唧o r a l e v o l u t i o no fe d z ，b e i n gc o n s i d e r e da sac o u p l e dp r o c e s s 锄o n gt h e m a l ，h y d r a u l i c m e c h 枷c a l ，a n dd a m a g ef i e l d s ，w h i c hi sas i g i l i 缸c a n ti s s u ef o re v a l u a t i n g 吐l ee n 百n e e r i n g s t a b i l i t ya n ds a f e t y ，a n df o ro p t i m i z i i 玛m es u p p o r t i n gp a r a m e t e r s r e c e n t l y a i m i n gt 0t l l e s t u d yo ft h es 衄旺e 百ce i l 哪ys t o r a g e 觚dt l l e r a d i o a c t i v ew a s t ed i s p o s a l ，as i 盟f i c 锄n d c v e l o p m e n t i i le d zc h a r a c t 缸z a t i o n 锄dc o u p l e dt h c n n a l h y d r a u l i c m e c h a m c a l ( t 瑚田 m o d e l l i n gh 弱b e e na c l l i e v e i l d ac o u p l e dt 蹦m o d e ld 嘣n gm er o c kf a i l u r ei s p r o p o s e dw h e i lt l l ed a m a g ei s c o n s i d e r e d 雒ak e y 璩t o rt l l a tc o n 的l st h et h m c o u p h n g 1 1 1 em o d e l i ss 0 l v e du s i i 培 m l m e r i c a lm e 恤db yp r 0 舒锄m i n go nt l l eb 器eo fc o m s o lm u l t i p h y s i c s ，ap o w e r m l p d e - b a s e dm u l t i p h y s i c sm o d e l l i n ge n v i r o n m e n tu s i n gf m i c ee l e m e n tm e t h o d t h ep r o p o s e d t h mm o d e l i sf i r s t l yu t i l i z e dt 0s i n m l a t em et h m r e s p o r i s eo f 虹l ee l 孙t i cm e d i 嘲a n di ti s v a l i d a t e db yc o m p a r i i l gm em h n e r i c a lr e s u l t sw i t hm e 孤a 1 如c a ls o l u t i o 璐 s e c o n d l yt h e p r o p o s e dt h mm o d e lw i t hd 锄a g ee v o l u a t i o ni n c o 驴r a t e di sv a l i d a t e db yc o i n p a r i n gm e m m l e r i c a lr e s u l t sw i t l lm ee x p e r i m e n t a lo b s e r a v a t i o no ft h ef a i l u r ep r o c e s sa r o u n dc i r c u l a r o p e n i n g su n d e ru i l i a x i a lc o i n p r e s s i o n a t1 勰t ，t l l em o d e l i s 锄叩l o y c dt 0p r e d i c te d zl l i l d e rh mc o n d “i o n s 觚dt l i en 啪e r i c a l r e s u l t si i l d i c a t et l l a t ，m ed 锄a g ez o n ei sd o m i n a n t l yc o i i t r o l l e db yi n - s i ms t e s sc 0 n d i t i o n s ，觚d t l l eh y 出a u l i cp r e s s u r ea l s oh 豁趾i m p o r t 觚ti n n u e n c e0 nm e 诚t i a t i o na n de v o l u t i o no fe d z a “嬲tt h ee d zd e v e l o p m e l l to f 丘a c u t e dr o c k m a s sl l i l d e rt mc o n d i t i o n sh a sb e e nm l m e r i c a l l y s i r n u l a t e da n d l en u m e r i c a lr e s u l t s d e n o t em a tb o t l lm ee x i s t i n g 丘a c t u r e sa i l dt l l et h e 加1 a l e 妇眈t sp l a yai m p o r t a n tr 0 1 eo nt l l ei i l i t i a t i o na n de v o l u t i o no fe d z k e yw o r d s ：r o c k m 硒s ； e x c a v a t i o nd 锄a g e dz o n e d z ) ；n mc o u p l i n g ；舢m 丽c a l s i n m l a t i o n ；丘a u c t u r c ，m 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t 。：i 第一章绪论1 1 1 立项依据1 1 1 1 问题的提出1 1 1 2 研究的意义2 1 2 研究现状2 1 2 1 开挖损伤区的现场测试3 1 2 2 基于声发射微震的损伤区监测方法4 1 2 3n n 压多物理场耦合问题的研究：6 1 2 4 损伤过程中的多物理场( t i n 压) 耦合效应9 1 3 本文研究思路及研究内容1 1 第二章损伤过程中的t h m 耦合模型1 3 2 1 基本控制方程13 2 1 1 力平衡方程1 3 2 1 2 渗流方程1 4 2 1 3 能量守恒方程。1 5 2 1 4 初始条件和边界条件。1 6 2 2 场变量对n 王m 参数的影响1 7 2 3 损伤对于删参数的影响1 7 2 4 方程的有限元实施( c o m s o l m u l l l p h y s i c s 简介及其有限元编程) 。1 9 2 5c m 求解删耦合方程的验证2 1 2 6c m 求解损伤程序的验证。2 3 2 6 1 背景实验介绍2 3 2 6 2 实验模型介绍2 4 2 6 3 数值模型的建立2 5 2 6 4 数值模拟结果2 6 2 7 本章小结2 8 东北大学硕士学位论文 目录 第三章流固耦合条件下巷道开挖损伤区的预测2 9 3 1 基于统计分布的岩体参数赋值方法2 9 3 2 地应力条件对损伤区的影响- 3 3 3 3 渗流场对损伤区的影响3 6 3 4 介质非均匀性对损伤区的影响4 0 3 5 本章小节4 1 第四章t h m 耦合作用下开挖损伤区的演化规律4 2 4 1 基于数字图像处理技术岩体非均匀性表征技术：4 2 4 2 核废料处置巷道的数值模型的建立4 4 4 3 裂隙对开挖损伤区演化过程的影响4 5 4 4 温度场对于开挖损伤区的影响4 7 4 5 本章小节4 8 第五章结论4 9 参考文献5 0 致谢：6 2 作者简介6 3 v 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三石t 匕 1 1 立项依据 1 1 1 问题的提出 在岩体工程中普遍存在着开挖岩体和保护围岩稳定这一相互矛盾而且必须解决的 问题。无论是采用钻爆法还是全断面法进行开挖，都必然对保留的岩体造成损伤和破坏， 使围岩的物理力学性能发生扰动，形成所谓的开挖扰动区( e x c a v a t i o nd i s t u r b e dz o n e ) 或开挖损伤区( e x c a v a t i o nd 锄a g e dz o n e ) 。我国学者也提出了围岩松动圈的概念【i 】，用 于表示松动破碎范围。损伤区内围岩的力学特性及渗流特性都将发生变化，即便是在廓 线上的爆破采用预裂或光面爆破技术，围岩的损伤也再所难免【卜刀。针对不同的岩石种 类，在其中开挖时的损伤区的特征也有所差异，但其共同特征体现在损伤对于岩体承载 能力、渗流特性、热传导系数和扩散系数等的改变。就拿处于深部较为致密的花岗 岩来说，开挖损伤区渗透系数的增加可达1 0 4 倍【1 2 】，渗透性的增加也是岩体发生损伤的 重要宏观体现。 如果在深部具有地热环境或者由于核废物的放热作用，则温度场的作用是另一个不 可忽略的因素。当温度和渗流作用都不可忽略时，开挖损伤区中岩石处于温度场、渗透 场、应力场的耦合作用之下。这种耦合表现在：岩体的变形会不可避免地引起岩体孔隙 率、渗透率、热传导系数和热容等的变化，同时也带来固体内能的变化：渗流场的存在 不仅体现在由于水压力的存在引起了有效应力的降低，而且也同时通过引起热对流来影 响温度场；温度场通过产生温度应力来影响应力场，并通过改变流体粘度等参数而影响 渗流场。目前，普通意义上的三场( 温度、渗流场和应力场，简称为删) 耦合问题 般不探讨岩体的损伤及其演化过程。但是，实际上，岩体的损伤直接造成岩体结构的 改变，对于其力学性质、渗流和热学特性都产生显著的影响。因此，开挖损伤区的形成 及后续的时空演化过程必然是一个温度场、渗流场、应力场和损伤场相互交叉耦合作用 的过程。 由于地下工程的开挖，原有含水裂隙岩体所处地下水渗流场、温度场与地应力场的 动态平衡体系被破坏。但在一定的时间和空间范围内，通过质量和能量的交换，整个体 系会重新达到三场之间新的动态平衡【8 1 3 】。开挖完成后，临近巷道的开挖或地震等外部 扰动、温度的升高( 核废料衰变产生的热) 以及孔隙水压力的变化都会使得多物理场之 间的平衡被打破，围岩发生进一步的损伤，从而使开挖损伤区进一步演化。为了工程长 期稳定性和安全性的需要，我们必须对开挖损伤区的多物理场耦合效应进行预测分析， - 1 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 并揭示其中蕴涵的交叉耦合机制。 1 1 2 研究的意义 开挖损伤区范围及其损伤程度的估算以及损伤区围岩物理力学特性的研究，对于岩 体工程稳定性设计是至关重要的【l ，4 1 。开挖损伤区的范围直接决定锚杆的长度及布置方 式。在我国现行的工程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 中也强调：对于矿山采掘工程 的围岩进行工程定级时应该考虑爆破开挖对围岩稳定性的影响。大量工程实践证明，根 据开挖损伤区厚度值进行支护设计比传统的工程类比法设计更具有显著的技术经济与 社会效益。随着浅部资源的减少和枯竭，越来越多的矿山转入深部开采。随着开采深度 的增加，一系列工程灾害日益严重。同时，深部与浅部的区别在于“三高 ( 高应力、 高温度和高水压) 环境及极强的时间效应1 1 4 1 ，深部巷道围岩表现出分区破裂机制”l 。深 部岩体处于“三高一扰动 ( 高应力、高温度、高水压和开采或开挖扰动) 的恶劣环境f l6 1 ， 深部巷道与采场维护理论也与浅部有明显的区别。因此，深部采矿的核心主题是研究深 部岩体在“三高”环境下由于采矿( 开挖) 扰动所表现出的特殊行为。由此可见，开挖 损伤区及其多物理场耦合效应是深部采矿所需要解决的核心问题。 在能源深部战略储备和核废料深部地下处置等方面，认清开挖损伤区的弹性模量、 渗透系数、热传导系数和溶质扩散系数等参数与开挖过程的相互关系及其时空演化规 律，对于评价工程稳定性和安全性是非常重要的。随着我国能源需求的增长和核电站数 量的增加，预计到2 0 l o 年这些核废物的积存量将达到1 0 0 0 吨。中国的最终高放废物处 置场要在2 0 5 0 年左右投入运行，几乎与西方各工业国同步l i 。因此，开挖损伤区是国 际学术界共同关心的热点问题。结合我国国情，开展核废物处置库开挖损伤区的物理力 学特性及其多物理场耦合效应的研究将变得更为重要和紧迫。此外，在深部防护工程建 设、深部能源开发和战略储备、南水北调工程和西部水电开发等诸多方面，深部地下空 间的开发都将涉及到与开挖损伤区的相关科学问题。因此，提出合理而有效的开挖损伤 区表征模型，并预测开挖损伤区温度场、渗流场和应力场的时空响应，具有重要的理论 意义与工程应用前景。因此，目前这一研究方向已经成为岩石力学领域的热点问题而得 到许多国家的高度重视。 1 2 研究现状 开挖损伤区的理论研究远远滞后于工程实践。目前，开挖损伤区的研究主要依赖于 现场测试提出经验公式。开挖损伤区的范围及损伤程度取决于岩体结构、原岩地应力和 开挖方法。对于工程应用而言，了解开挖损伤区的物理力学特征是进行其多物理场耦合 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 效应时空预测的基础。鉴于此，本节从开挖损伤区的研究方法现状、基于微震( 或声发 射) 信息的开挖损伤区表征方法、岩石力学中的多物理场耦合模型及其应用于开挖损伤 区分析所存在的问题等几个方面对研究现状进行评述，并提炼出该领域急需解决的科学 问题。 1 2 1 开挖损伤区的现场测试 由于岩体本身的非均匀、各向异性和所处地质环境( 包括地应力条件及温度和渗流 场的分布等) 的复杂性，从理论上给出开挖损伤区的范围是很困难的。在地下洞室开挖 损伤区预测的计算中，较难解决问题是岩体非均匀物理力学参数( 例如弹性模量和渗透 系数等) 的确定。对于开挖损伤区内的岩体，多物理场参数的确定就显得更为重要。 为了全面认识开挖损伤区的各种物理力学参数，开展单一的测试是无法实现该目标 的。因此，工程中必须开展尽可能多种方式的多个参数的测试，才能对开挖损伤区有较 为全面的认识。目前开挖损伤区范围魄确定几乎全部靠现场实测，而且已经形成了多种 较为成熟的监测技术。常用的测试方法主要有声波法、微震监测法、多点位移计法、地 质雷达法、地震波法、电阻率法、渗透法、钻孔光学电镜法和放射性元素法等【1 8 引】。为 了要了解损伤区的长期发展规律，势必需要开展长期不问断的实地监测，再加上现场工 作环境比较艰苦，这无疑是一项耗时、耗力和耗钱的繁琐工作。与声波探测方法相比， 由于传感器安装完毕后，人可以不用逗留在测试现场，借助光纤数据传输和数据的计算 机自动存储，声发射或微震监测方法可以实现2 4 小时无间断的实时量测。基于现场测 试和松动圈支护理论的围岩稳定性分类表和支护设计方法在煤矿得到了大量应用，取得 了良好的经济和技术效果【l 】。 针对核废物处理这一国际上共同关注的热点问题，从1 9 9 2 年起，由瑞典、美国、 加拿大、芬兰、日本、瑞士等9 个国家的1 5 个科研机构联合开展了国际合作研究项目 d e c o 址e x ( d e v e l 叩m 耐o fc o u p l e dm o d e l sa i l dt l l e i r 址i d a t i o ha g a i l l s te x p e 血l e 鹏 i i ln u c l e a rw 嬲t ei s o l a t i o m 【2 2 - 2 5 1 。中国科学院武汉岩土力学研究所于2 0 0 3 年加入了国际 d e c o 扎e x 计划第四阶段的合作研列 】。该项目以建立地质介质中热水力化学 ( r n l e 肌a l ，h y d r o l o 百c a l ，m e c h a n i c a l ，c h e m i c a l ，t h m c ) 全耦合过程数学模型及其基于试 验的验证为目标。d e c o v a i ，e x 已对岩体的热一水力耦合模型进行了一系列的案例标定 试验( t e s tc a s e s ，t c ) 及基准试验( b e n c hm a r kt e s t s ，b m t ) ，以用于验证数值模型的 可靠性1 2 2 。2 7 】。许多西方国家都建立了地下岩石工程实验室，并用微震监测等多种测试手 段研究围岩的开挖损伤区。例如，早在1 9 8 2 年，加拿大核能研究公司( a e c l ) 的地下 研究实验室( u i l d e 靴砒l dr e s e a r c hl a b o r a t 0 i j i 也) 【2 8 - 3 2 】就开展了开挖损伤区研究。 一3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 研究者们使用了1 6 通道的微震监测系统来监测试验巷道的开挖损伤区。开挖前，他们 把频率响应为5 0h z l ok h z 的传感器固定在巷道轮廓线周围的钻孔中，在巷道开挖中 和开挖后，利用计算机可以实时记录巷道周边的微震信息。微震监测的数据研究表明， 微震事件的密度与损伤区域具有较好的对应的关系；相对于应力重新分布的作用而言， 开挖方法( 机械开挖或钻爆开挖) 所引起的损伤区是有限的，越是处于深部的巷道，应 力重分布对于开挖损伤区的作用越显著。p e t t i t t 等【3 3 】在瑞典的舡p oh a r dr 0 c kl 曲o r a t o 巧 ( 简称为h i u ) 开展了开挖损伤区的声发射和微震活动规律研究，很好的揭示了开挖和 应力重分布诱致的开挖损伤区形成机制。其它的国家也建立了类似的地下岩石力学实验 室，用于研究核废物处置场的多物理场耦合问题，这包括美国内华达州的y u c c a m o u n t a i n 地下实验室【3 4 。3 6 1 、瑞士的m o n tt e 仃ir d c kl a b o r a t 0 3 7 】和日本在吼a i s i l im i n e 的 u 】m e 增l l i l de x p 舐m e n t a ls i t e 陋3 9 】等。近来，美国国家自然科学基金会又资助1 5 0 0 万 美元用于建立一个更深部的地下科学研究实验室( d e 印u n d e 郾u n ds c i e n c e 锄d e n 西n e e r i n gl a b o r a t o 珂d u s e l ) ，用于深部资源勘探、核废料储存等问题，其中岩体开 挖损伤区是一个主要的研究主题。 1 2 2 基于声发射微震的损伤区监测方法 在外载荷作用下，岩石或岩体中裂纹从萌生、稳定扩展到最后的失稳扩展，是一个 过程。对于岩石( 或岩体) 来说，要研究其受力后的变形和破坏过程，不但要研究已存 在裂纹的扩展，而且必须研究新裂纹的萌生、扩展及裂纹间的贯通过程。损伤力学可在 连续介质力学和热力学的基础上，用固体力学方法研究材料宏观力学性能的演化直至破 坏全过程。借助于损伤力学研究岩体的断裂过程是一种有效的途径。但是，如何刻画损 伤和确定损伤变量的数值往往是损伤力学应用于工程实践时所面临的共同问题。 材料在外界应力作用下会引起微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随有弹 性波或应力波的传播，其后果就是产生声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 。对于工程尺度 的岩体，这种波在地质上也称为微地震( m i c r o s e i s i i l i c ，m s ) ，它在周围岩体中快速释放 和传播【3 9 】。自上个世纪5 0 年代k a i s c r 效应被发现以来，声发射与微震被广泛应用于无 损检测、油气勘探、地热开发、核废料储存、矿业灾害预测等领域，现已成为研究岩石 损伤与断裂的一种重要手段【4 0 1 。 h c l ( 1 1 e r 【4 0 】提出了微破裂( 损伤) 与声发射一致性的重要看法，并认为，虽然检测 到的声发射数量不到岩石样本中实际微破裂数目的1 ，但声发射信号还是给出了丰富 的信息，包含了微破裂的位置、模式、震级( 强弱) 和能量释放率等重要信息。声发射 与材料内部的初始损伤和损伤演化有直接的对应关系，新的损伤的产生一定伴随着声发 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 射的发生，故唐春安等提出了“声发射率与岩石的损伤变量具有一致性”的学术观点 一m 2 1 。岩石的损伤不仅与其内部的节理裂隙分布( 可认为是初始损伤) 有关，而且更为 重要的是与受载后的损伤演化过程直接相关。在载荷水平较低时，开挖损伤区岩石的损 伤多取决于初始的节理裂隙分布状态，而随着载荷水平的提高，应力重分布所引起的损 伤占有主要优势。岩石的声发射( 微震) 活动性反映了岩石内部的损伤演化状况。声发 射事件发生的位置是岩体发生损伤和变形局部化的区域，而且损伤的程度与该位置声发 射的能量释放率有着必然的联系。利用高精度的声发射监测技术，借助于小波分析方法 对时域波形进行去噪、重构和能量谱密度分析，人们可以在时间和空间上以较高的分辨 率对围岩开挖损伤区进行有效地评价和监测【2 8 之9 5 。5 3 1 。这些研究成果为我们对围岩损伤 进行定性到定量的表征创造了条件。 姜福兴等【5 3 。5 5 】通过分析微震发生的四类力学机理，给出了各种机理所对应的微震信 号的能级和密度，并基于此试验结果证明微震技术可以有效地确定断裂带与垮落带的区 域，认为微震技术是进行煤矿地质灾害监测和预报的有效手段。张银平和刘国清【5 6 。5 7 】 也进行了微震监测用于矿山动力灾害分析预报的研究。徐东强等【5 8 】认为岩石声发射积 累频次与损伤参量具有线性关系。朱传云和喻胜春【5 9 j 建立了声波的波降率和岩体弹性模 量损伤系数( 损伤变量) 之间的关系。0 h t s u 和w 乱孤a b e 统计了混凝土单轴压缩试样 破裂过程中声发射累计次数与加载水平之间的关系，提出了声发射的率过程分析( r a t e p r o c e s sa m a l y s i s ) 方法，并建立了声发射累计次数与损伤之间的定量表达式。s h i g e i s l l i 和o h t s u 【6 1 j 也使用了声发射瞬时张量( a em o m e n tt e 璐o r ) 分析方法，基于声发射信号 来预测混凝土试样中裂纹的位置、方位、类型和扩展方向。l a i l d i f 6 2 】提出了定量化声发 射( q u a n t i t a t i v ea c o u s t i ce 商s s i o n ) 的概念，通过对声发射瞬时张量( a em o m e n tt e n s o r ) 进行分析，获得了混凝土试样中的微裂纹的位置、裂纹扩展方向和裂纹的类型等信息。 蔡明等【6 3 i 利用微震( m i c r o s e i s m i c ) 信息与损伤变量之间的定量关系，提出了基于岩体 微震信息的损伤模型。e b e d l a r d t 等【叫和d i e d 嘶c h s 等基于室内岩石试样声发射时间序 列确定了裂纹萌生的阈值( c r a c ki n i t i a t i o nm r e s h o l d ) 和裂纹相互作用及岩石初始屈服的 阈值( c r a c k 缸e m c t i o n 孤di l l i t i a ly i e l dt l 玳s h o l d ) ，并证实了两者所对应的应力水平正是 现场岩体的强度的下限和上限。由此可见，基于微震( 或声发射) 信息不仅可以确定岩 石的损伤变量，而且有利于推断岩体强度。朱万成等使用h y p 砸o nh n s i 型声发射仪开 展了岩石和混凝土损伤的声发射试验，并在声发射数据的分析方面开展了初步的研究工 作1 6 引。 基于现场监测手段，对开挖损伤区的岩体物理力学参数进行数值表征，并建立损伤 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 状态下岩体的多物理场耦合模型，是预测开挖损伤区多物理场时空演化规律的基础。开 挖损伤区的非均匀性和各向异性是对于渗流、热传导和溶质运移过程起重要的控制作 用，所以开挖损伤区岩体的多物理场耦合效应也必然受控于岩体的各向异性和非均匀 性。由于现场岩体结构及地质环境的复杂性，针对开挖损伤区的形成机理及损伤区的多 物理场耦合效应研究方面，目前仍然缺乏从损伤机理层面上的数值表征模型和表征方 法。 由此可见，鉴于微震( 或声发射) 事件率与损伤之间的一致性关系，基于微震( 或 声发射) 监测数据进行开挖损伤区的定量化数值表征是一种切实可行的手段。但是，由 于岩体结构的非均匀性，如何从微震( 或声发射) 信息中提取准确的损伤信息，还有待 于进一步研究。 1 2 3t h m 多物理场耦合问题的研究 岩石力学中的多物理场耦合作用问题近年来一直受到国内外研究者的重视和关注。 其中多孔介质中的热流力( t h m ) 耦合问题在许多工程领域都具有非常重要的意义和 作用，是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题。“耦合过程”即意味着上述一个 过程会影响其它过程的发生和发展。许多边坡失稳和大坝基础失稳都是由于渗流与剪切 力的耦合作用引起的【6 9 1 。近年来该问题在核废料的地下处置方面得到了极大关注，因为 核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的t h m 耦合现象将影响其力学稳定性、热传 导性和渗透性，进而影响放射性核素在裂隙岩体中的运移规律。此外在地热能源开发， 油气开采，寒区隧道工程，农业工程，土木工程等领域中也都存在着t h m 耦合问题。 岩石中应力场，渗流场，温度场三者相互影响，相互作用，关系非常复杂。b i o t 【7 0 】 在1 9 4 1 年就描述了等温条件下的土固结问题，进一步从理论上完善了t e r z a g h j 提出的 有效应力原理。后来他又对其理论进行扩展，将温度效应引入其中。文献7 w 3 1 对有效应 力原理进行了更深入的理解和讨论。从上个世纪8 0 年代以来，国内外许多学者都是基 于b i o t 的开创性工作，各国学者进行了大量的研究，通过引入不同的假设，提出了各自 的t h m 耦合过程的力学模型7 钾6 1 。这些假设包括：是否考虑非饱和问题，是否考虑固 体骨架的变形，是否考虑固体与水之间的热交换，是否考虑由水流动引起的热对流，是 否考虑物性参数的变化和是否考虑水的相变等1 7 。 进入上世纪9 0 年代，尤其是由1 9 9 2 开始的d e c o v 札e x 国际合作项目，基于质 量、能量和动量守恒原理建立了t h m 的耦合数值模型，进而极大地推动了删三场 耦合过程的研究1 2 2 - 2 5 ，7 8 1 。针对冻土特性、深部核废物贮存、地热开发、煤层气和油气开 发等问题，国内学者在t h m 耦合模型方面也进行了大量的研究工作【7 9 9 5 】，并且探讨了 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 岩石应力一化学耦合效应【1 7 ，8 0 1 。朱万成等开展了溶质运移和渗流过程耦合过程的x 光 c t 扫描实验【8 ，提出了弹性状态下的删耦合模型，已用于研究地下瓦斯运移和煤 地下气化等相关工程问题【8 引。 yz h o u 等【7 7 】基于饱和多孔材料线性热弹性理论，给出一组热流固耦合作用的方 程组，考虑了渗流与温度的热力学耦合，物性参数随应力，温度，水压力等变化( 非线 性方程) ，组分的压缩性和热膨胀性，温度变化，热对流。特别是考虑了温度梯度对渗 流的影响( m 锄o o s m o s i se 脏c t s ) 以及孔隙水压力梯度对热传导的影响( m 锄a 1 f i l 恻i o n e f f e c t s ) 。 孔祥言等【8 3 1 基于饱和多孔材料小变形情形的线性热弹性理论，考虑了流体和固体密 度以及孔隙度随压力和温度的变化关系和液体粘度随温度的变化，给出一组完全的热 流固耦合渗流的方程组，突出了应变量对时间的微分，并讨论了求解方法，以及在不 同工程应用中着重要给出的某些结果。w 锄g 【8 4 l 建立了考虑热传导与热对流效应的多孔 热弹性模型并研究了该模型在井壁稳定性，注水采油等方面的应用，得出了一些有意义 的结论。d a lp o n t 等【8 5 】考虑孔隙流体有三种状态：液态水，水蒸汽和干燥的空气，采用 质量守恒，能量守恒，角动量守恒方程来建立t h m 耦合模型，用来描述混凝土在高温下 的力学行为。白冰【8 6 】在考虑土骨架和孔隙水热膨胀特性差异的基础上，根据力平衡条件、 有效应力原理、能量守衡定理及线弹性应力一应变关系，建立了考虑耦合效应的饱和土 体热固结问题控制方程，并利用f o 面c r 变换、l a p l a c e 变换及其逆变换，给出了热固结 问题的求解方法。同时，对一无限长圆柱形热源向外传导和扩散问题进行研究，给出了 非等温条件下周围饱和土体的温度、孔隙水压力和位移的解析解，并对其变化规律进行 研究，分析了热固结系数等参数的影响。如文【8 7 l 所说，其实在该耦合问题中，一些耦合 系数实际上有相同的物理意义和数学形式，因而可使控制方程得到简化。这些因素中， 其中某一过程的发展必然会影响到另一过程的发展，但相互之间的影响程度却有很大不 同。并且，在一些特定的条件下一些耦合项对计算结果影响很小，完全可以忽略。 在我国东北和西北地区，由于地处寒区，这些隧道都有不同程度的冻害。有的隧道 由于冻害的影响，常年有8 9 个月不能正常使用，有的隧道由于冻胀力的作用，衬砌裂 缝宽达5 c m ，严重影响正常运营删。赖远明等矧进行了寒区隧道温度场、渗流场和应力 场耦合问题的非线性分析，研究了冻结与融化条件下具有相变的传热问题，证实了渗流 场和应力场对寒区工程的冻深有极大的影响，冻胀力对隧道衬砌的应力影响很大。徐光 苗等f 8 9 】从不可逆过程热力学和连续介质力学理论出发，在若干合理的假定条件下，推导 了冻结温度下岩体的质量守恒方程、平衡方程及能量守恒方程的最终表示形式；研究了 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 岩体在冻结温度下冰与岩石的膨胀耦合关系，并建立了相应的耦合膨胀系数的表达式。 非饱和岩体中地下水的渗流速度缓慢，地下水运动必然引起非饱和岩体( 尤其是非 饱和土体) 含水量的明显变化，从而引起岩体热物理参数( 如导热系数、比热容等) 的 显著变化，进而影响热传导过程，并对温度场的分布产生比较显著的影响。因此，在非 饱和岩土体三场耦合分析中必须考虑含水量的变化对介质热物理参数的影响网j 。贺玉龙 等m 】对非饱和问题进行研究，岩体采用了增量热弹塑性本构关系，并考虑了温度梯度对 地下水渗流的影响( 类s o r e t 效应) 。周江和福井正则【6 9 】采用与体积含水率有关的渗透系 数，考虑水的密度随温度和压力的变化而变化，推导了耦合控制方程，阐述了方程中各 项的物理意义。 历史上的地质构造运动和风化卸荷作用，使得岩体结构中含有大量不同方向、规模、 产状的非连续性结构面( 节理、断层、裂隙) ，从而导致岩体在工程结构和力学性能上 呈现非均质、非线性、非连续的各向异性体；同时又成为地下水流的主要通道，使得岩 体渗透特性呈非均匀各向异性。因此，必须建立裂隙岩体三场耦合的介质模型及其各参 数的确定，其中裂隙岩体介质渗流模型及其渗流参量的描述是关键【9 。由于实际岩体是 各向异性的，各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在 受热状态下的热水力耦合效应。蒋中明等【9 2 】考虑了核废料地质贮存介质黏土岩的三维 各向异性并进行了热水一力耦合数值模拟。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性 改变对渗透系数的影响。许增光和柴军瑞【9 3 】建立了裂隙网络的非连续介质渗流数学模 型，从温度对渗透系数的影响，进而影响岩体裂隙网络中渗流场分布的角度出发，分析 了温度对于渗流场分布的影响。 在核废料地下处置过程中，由于放射性同位素衰变，将产生大量的热量。核废料贮 库围岩介质的温度升高，不仅影响岩体、水体的物理性质，而且对岩体的应力场和水体 的渗流场也有重要作用；与此同时，地下水作为一种环境因素，对岩体的物理力学性质 和热对流传输具有重要影响；另一方面，岩体的热物理特性及其中的各种不连续面( 节 理、断层、裂隙等) 分别对热传导及地下水渗流起着重要控制作用。这三者相互联系、 相互制约的性质，是由三场耦合效应引起的【9 4 1 。刘亚晨等【9 4 1 回顾了核废料地下处置中热 一流固耦合问题的研究历程，较全面地分析讨论了三场耦合作用过程中相互间交叉耦合 的各个方面，并对国内外就这一研究方面的进展和现状作一介绍和评述，并对进一步研 究核废料贮存围岩全耦合问题提出分析方法。此后，刘亚晨【9 5 】基于o c o r u l e n 的裂隙岩 体等效弹性模量关系式中的裂隙密度概念，建立了温度作用下的裂隙密度与o d a 提出 的裂隙张量之间的关系式，给出了具有删耦合的渗流系数张量，给出了核废料贮库 - 8 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 裂隙岩体介质热液力耦合的定解方程，推导了求解t h m 耦合力学模型的有限元计算 公式，并编制了有限元计算程序，并用b m t l 问题的算例，探讨了核废料贮存裂隙岩体 水热耦合迁移以及应力响应特征。 1 2 4 损伤过程中的多物理场( t h m ) 耦合效应 岩体在外界高温、流体渗流和外部载荷作用下，将出现损伤，并逐步发展成为微裂 纹；损伤与裂纹的存在不可避免地影响到渗透性、孔隙率、超声波速等岩体特性参数。 岩体的损伤对热传导、地下水渗流和变形起着重要的控制作用；在涉及温度、渗流及应 力耦合作用的岩石工程问题中，岩体介质的损伤贯穿于工程开挖及构建之后的整个过程 之中；这一过程是岩体损伤演化和多物理场( n m ) 环境演化之间的一个协同作用过程。 实践证明，许多现场开挖损伤区测试结果进行的正确解释也必须依赖于对其物理力 学性质的充分认识。例如，对于压水渗透性试验来说，渗透系数( 水力传导系数) 的计 算公式是基于岩体的均匀性假设而给出的，由于节理岩体的非均匀性和各向异性以及巷 道周边应力分布的非均匀性，渗透性也必然表现出非均匀性和各向异性【2 0 1 。同时，压水 试验的渗透系数的测试结果表现出较强的尺寸效应，小尺寸范围内测得的渗透系数可能 受控于局部的节理面，测试数据较为离散，故渗透系数的数值随着测试尺寸的增加而增 大【2 1 1 。而且压水试验测得渗透系数一般比室内试验渗透系数大两个数量级左右。此外， 要对核废物处置库在未来万年内的多物理场性能进行预测，在工程的设计阶段，不可能 进行长期的现场试验，只能靠岩体损伤区数值表征的基础上进行数值模拟才能预测开挖 损伤区的时空演化规律。 因此，对开挖损伤区进行有效的数值表征，然后基于此提出删的耦合模型并进 行数值模拟研究，不仅有利于对现场