热固耦合条件下岩石开挖损伤区的演化过程数值模拟

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在地热开发、石油的三次开采等工程中,必然会涉及到热固耦合条件下岩体开挖损伤区的演化问题。开挖损伤区的形成及后续的时空演化过程是一个温度场、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(Thermal)一力(Mechanical)(简称为TM)耦合模型方面取得了较大的进展。本文考虑岩体的损伤,在TM耦合模型中引入损伤变量,提出岩体损伤过程中的TM耦合数值模型。借助有限元软件COMSOL Multiphysics (CM),通过有限元编程实现该模型的数值求解。通过将均匀弹性介质TM耦合响应的数值模拟结果与理论分析结果进行对比,证实了CM求解TM耦合方程的有效性;通过含圆形孔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,验证了本文中提出的考虑损伤过程的TM耦合模型的正确性。开展了热固耦合环境下岩体开挖损伤区的预测,数值模拟表明,圆形巷道在TM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),温度场的作用亦会对损伤区的萌生和发展产生重要的影响。最后针对某岩石热固耦合过程物理实验,进行考虑温度对参数影响条件下开挖损伤区的演化规律研究,并分五种不同的工况进行数值模拟,模拟结果表明,温度场对损伤区的产生和发展的影响比边界荷载产生的影响更大,在数值模拟中,针对围岩所处于的地应力和温度边界条件,采用热固耦合模型进行分析是非常必要的。
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