数值模拟Precracked岩石机械载荷作用下的开裂行为

文摘

precracked岩石机械载荷作用下的开裂行为是在地下开口或石油工程具有重要意义。在这项研究中,一个先进的内部有限元代码熊猫模拟耦合压裂过程中被证明是有效的在复杂地质条件下被用来模拟precracked岩石机械载荷作用下的裂纹传播和机械液压加载不同的强度参数。仿真结果表明,(1)诱导裂缝发起的压力,和多种类型的拉伸裂纹源自先前存在的缺陷;(2)机械载荷作用下裂纹扩展模式,研究了不同强度参数,和纯拉伸的多重模式,主要拉力,tensile-shear,主要剪切和纯剪切观察;和(3)液压加载的时间有显著影响压裂过程:当液压加载进行了主裂纹扩展阶段,被提拔和拉伸断口剪切破坏是抑制;当液压加载进行了剪切裂纹扩展阶段,剪切断裂和拉伸断裂是刺激。数值模拟结果与实验结果吻合较好,先前的研究。precracked岩石下的开裂行为研究机械和液压加载的应用前景将扩大煤层气储层和隧道突水。

1。介绍

过程中地下交通隧道开挖等工程建设,水利工程,煤炭和石油开采,地质环境的高地应力和强劲的渗流压力变得越来越复杂。联合行动下的原位应力和渗透水压力,主裂缝在工程岩体易于扩展和演变,导致宏观力学行为的变化和岩体的断裂模式1,2]。先前存在的裂缝或裂缝确定新裂纹的起始和支配宏观破坏飞机的形成3]。负载时,新的来自先前存在的裂缝和裂缝传播的最大主应力的影响,有时与其他裂纹合并。的破裂岩体受机械载荷的耦合效应是影响越来越多的工程调查。

在过去的几十年里,大量的实验研究进行了描述裂缝的开裂行为和法律岩石样本包含先前存在的缺陷,在缺陷是指先前存在的人工裂缝(这个词4- - - - - -6]。压缩下的压裂过程和裂纹合并模式特征,估计在不同岩石材料(4]。一些研究表明,拉伸裂缝最初起源于缺陷压缩载荷作用下,随后和拉伸裂缝是紧随其后的是剪切裂缝(5]。另一项研究调查了失效模式和开裂过程的大理石标本不同precracks单轴压缩试验。李和全6)进行了单轴压缩测试三种不同的材料和获得了启动,传播,聚结法presingle裂纹和predouble裂纹。阴et al。7)进行了实验调查的水力性质3 d粗糙壁在剪切骨折。同时,高温和包括先前存在的裂缝角实验研究观察宏观裂缝的缺陷(8,9]。

此外,进行了一些数值研究更好地解释precracked压裂过程的模型,包括有限元方法(FEM) (10- - - - - -12),边界元方法(BEM)和位移不连续法(DDM) (13]。模型裂纹行为合理、适当的开裂准则需要注册(14]。数值模拟的代码(RFPA)可以用来分析在岩石裂纹扩展模拟全球失败的岩石和地方开裂缺陷抽搐(15]。同时,在岩石和开裂行为如磐石般坚韧的材料被使用颗粒流建模代码(PFC) (16]。

数值模型不仅是有用的分析和解释中观察到的裂纹类型的物理实验也有用工具观察应力场和渗流场演化的动态图像裂缝延伸过程中(17,18]。然而,许多研究只关注预设单裂纹扩展的分析,不能完全模拟裂纹萌生的整个过程,发展,渗透在不同强度参数和水力耦合环境(19,20.]。因此,实际工作的一些更复杂的条件需要进一步考虑模拟precracked岩石的开裂行为和传播机制,如不同强度参数和水力耦合。

为了解决这个知识差距,本研究基于多孔机械耦合的有限元方法和连续损伤理论,和内部有限元代码熊猫被用来模拟precracked岩石的开裂行为(21- - - - - -23]。此外,开裂缺陷的产生和传播的行为具有不同强度参数在岩石样本也在这个研究调查。在此基础上,如何破解行为传播下的机械液压加载和液压动作时间序列研究的影响。数值模拟策略考虑不同岩石强度参数和水力的影响时间序列在裂纹扩展是创新。本研究有望增强的不稳定过程复杂的应力环境下裂纹损伤演化,以及裂纹形成和扩展的机制。

2。方法

许多学者采用数值模拟方法(RFPA、PFC和FLAC3D软件)来研究裂缝性岩体的断裂机制,这有助于了解应力状态和提供了一个强大的标准裂纹的萌生和扩展10- - - - - -20.]。

在这项研究中,一个内部代码熊猫(并行自适应非线性变形分析软件)是用来模拟裂纹扩展模式precracked模型的机械载荷作用下(21]。熊猫是一种先进的计算程序的内部有限元代码实现了先进的非结构化网格生成非常异构裂隙多孔介质通过非线性耦合的有限元解算器(22,23]。是有限元代码开发和验证模拟压裂过程耦合在一个复杂的地质条件,是设置在3 d受到影响水力模拟和热因素耦合的地壳动力学(24,25]。本研究中使用的相关方程简要下面列出的(5,11,26- - - - - -29日]。

压力平衡方程的定义是 在哪里柯西应力张量的分量和吗是身体力量方向。

Jaumann率介绍的压力: 在哪里是Jaumann柯西应力张量和速度是弹塑性材料矩阵。被定义为几何方程 在哪里的偏导数是吗th的速度th方向和速度梯度张量。和对称矩阵和反对称矩阵的部分吗 ,分别。

被定义为流体和压力耦合方程 在哪里孔隙压力,孔隙压力系数,克罗内克常数。

渗流方程表示如下: 在哪里磁导率,毕奥常数,是体积应变。

接下来的渗透率有效应力的指数定律: 在哪里初始磁导率和吗和是材料常数。一旦失败的元素,元素相关压力释放,获得航空材料的属性(即。,杨氏模量降低到最小值,以及对应的渗透率是断裂的状态)。

针对摩尔-库仑理论最大主应力准则和用作poroelastic-brittle岩石的破裂标准示例基于有效应力概念。拉伸裂缝时的最大拉应力超过抗拉强度:

剪切裂缝是由莫尔-库仑准则: 在哪里最小主应力,最大主应力,摩擦角,抗剪强度。

3所示。数值模拟

3.1。模型

precracked岩石的断裂行为研究在机械液压负载下,本文建立了计算模型,如图1。precracked岩石样品的目的是在50毫米(宽)和100毫米(高度)在二维空间(图1(一))。三个加载阶段设计包括裂纹萌生的发展(阶段1),裂纹扩展(阶段2),和压裂(阶段3)。机械加载执行与应用阶段1 - 3轴向位移顶部底部边界和固定位移边界(图1 (b))。液压加载执行在第二阶段两个顶部和底部边界(图1 (c))。此外,5例先前存在的缺陷与多样化的角度(15°-75°范围和间隔15°)设计中心的岩石样本。单轴压缩下的裂纹萌生和裂纹扩展模式和机械液压加载部分中讨论3.2和3.3,分别。

3.2。在单轴压缩下裂纹的行为既存的缺陷

3.2.1之上。应力场的缺陷和裂纹萌生

5例岩石样本进行第一阶段的位移到0.2毫米,其中裂缝是原始,摘要形成压力。图2显示一个60度缺陷周围的应力场。最大和最小主应力和最大切应力都被记录下来。最小主应力的轮廓映射展品压应力和拉应力区域(图2(一个))。有两个集中地区的拉应力(像一个auriform区域)在每个技巧的缺陷记录在“MIN1”和“MIN2的指标。“最大主应力的轮廓映射也表现了auriform集中区域的缺陷(图2 (b)),指示“MAX”是用来记录值。最大剪应力的轮廓映射展品的正交区域周围的应力集中缺陷(图2 (c)“MAXSH”),指标是用来记录值。

数据3和4显示的进化压力(MIN1 MIN2, MAX和MAXSH)缺陷的变化角度(15°、30°、45°,60°、75°)。MIN1减少压力增加到最大值后45度的缺陷。强调MIN2不断增加;压力最大(绝对值)和MAXSH顺利不断减少。

不同的抗拉抗压载荷作用下裂纹起源于缺陷(图5)。I和II型翼裂纹的缺陷都是新兴15°、30°、45°由于压力MIN1和MIN2的浓度,分别;此外,I型裂纹时间历史上紧随其后的是II型裂纹的原因,压力MIN2 MIN1通常小于压力。类型III裂纹缺陷的出现沿同一方向60°。IV型裂纹发生在75°的缺陷,在同时新兴MIN1的方向和裂缝的原因,强调MIN2 MIN1和MIN2更近。

3.2.2。裂纹扩展模式的影响强度参数

在阶段2和3的机械加载,裂缝传播是高度相关的特定的强度参数的岩石样本。如表所示1,抗拉强度逐渐提高的五个方案(即强度参数。,SP1,SP2,SP3,SP4,和SP5),which is equivalent to the decrease of the ratio between shear strength to tensile strength. SP1 and SP5 are the minimum and maximum tensile strengths, respectively. From SP2 to SP4, the tensile strengths gradually increase.

裂纹扩展模式(例如,在60°)的缺陷影响的五个方案强度参数在图所示6。一个主要断裂形式SP1和SP2计划。主要的(第一个)断裂,第二个骨折大约互相垂直形成方案SP3, SP4, SP5。裂纹扩展模式的五个方案是纯粹的拉伸,主要拉力,tensile-shear,主要剪切,分别和纯剪切。从SP1 SP5剪切裂缝的比例逐渐增加的主要断裂,导致角的减小(关于水平方向)的主破裂面。第二次断裂的外观受到剪切裂隙比例的增加主要的断裂标准主要断裂剪切裂缝增加SP5 SP3,第二个裂缝出现和发展更重要。图7显示了剪切应力演化的初始裂纹在第二骨折。SP2 SP4,剪切应力发展更快,最早的应力降(剪切裂纹)出现在SP4。剪切应力演化的三个时刻(A、B和C)展出的最大剪应力的轮廓映射,其中剪切应力(红色区域)开发和集中在正交方向形成的骨折。

之间的关系的角度主要断裂飞机和强度参数的方案图所示8。从SP2 SP4,角度的主要断裂飞机下降。从15°- 75°的缺陷,角度的主要断裂平面增加。

3.3。机械载荷作用下裂纹行为

在裂缝传播探索液压效应作用,液压压力后的岩石样本两端施加第二阶段的机械加载了。两个液压加载方案(SH1和SH2)在模拟(图设计9)。SH1下,液压压力后被应用的主要断裂已经发展为一个特定的时期,只有拉伸裂缝发生(包括计划SP2, SP3, SP4)。SH2下,液压压力被应用在一个时期剪切裂缝发生后拉伸开裂(包括计划SP3和SP4)。表2显示了岩石样本中机械液压加载的过程(例如,在60°)的缺陷。强度参数的三个方案SP2, SP3, SP4,包括研究非水化加载条件(NonHy),液压加载方案1 (SH1)和液压加载方案2 (SH2)。液压加载应用轴向位移后的岩石样本达到第二阶段(裂纹扩展),和样本随后不断加载阶段3(压裂)。计算没有考虑SH2 SP2,因为没有剪切裂缝。

3.3.1。机械液压作用下SH1方案

最小主应力的轮廓映射(拉伸)之前和之后液压加载和渗流场图所示10。相关的介绍了渗流参数表3。初始渗透率(各向同性)是基值独立于应力场。系数1定义了渗透率的影响应力场的调整(各向异性),和系数2定义了渗透率的增加,当发生开裂。图11(一个)显示在SP2的液压压力的进化的三个监视点,MB, MC。液压压力增加到3.5 MPa的恒定值序列后马> MB > MC。图11(b)显示了拉伸应力增量的进化 ,和0.713 MPa, 0.695 MPa,和0.688 MPa达成的点妈,MC,分别和MB(后序列马> MC > MB)。总拉伸应力( )4.01 MPa, 2.98 MPa和2.70 MPa达成的点妈,MB,分别和MC(后序列马> MB > MC)。

图12(一个)显示了拉伸应力增量的演进与不同缺陷的角度在SP2。的价值随缺陷角度从15°- 75°,马和压力值按照序列> MC > MB。图12 (b)显示了演进的拉应力。的价值与缺陷角度增加,应力值按照序列马> MB > MC。

持续的机械负荷(加载阶段3)液压加载后应用。最大剪应力的演进(参考第二断裂)的初始裂缝呈现在图13条件下非水化和液压操作。液压作用下,最大剪切应力发展缓慢,压力下降(剪切裂缝)最近发生的。SP4, SP3的比较表明,最大剪切应力发展更快,和压力下降之前发生。根据裂纹扩展模式在图14,主要断裂的角度的增加,因为液压操作。

3.3.2。机械液压下SH2机制采取行动

图15(一个)显示进化SP3的液压压力监测的三分,MB,和MC。SH2下,液压压力增加到恒定值3.5 MPa按照以下顺序马> MB > MC。图15(b)显示了拉伸应力增量的演变( ),和0.736 MPa, 0.713 MPa, MC和0.698 MPa达到点,妈,和MB(以下顺序MC马> > MB)。总拉伸应力( )4.17 MPa, 2.93 MPa和2.91 MPa达成的点妈,MB,分别和MC(后序列马> MB > MC)。

图(16日)显示了拉伸应力增量的进化与不同的缺陷角度SP3。的价值增加的缺陷角度从15°- 75°,和压力值按照序列MC马> > MB。图16 (b)显示了演进的拉应力。的价值增加的缺陷角度和压力值按照序列马> MB > MC。

液压加载后持续机械负荷应用。最大剪应力的演进(指的是初始裂缝在第二骨折)如图17条件下非水化和液压操作。液压作用下SH2,最大剪切应力发展迅速,压力下降之前发生。根据裂纹扩展模式在图14液压作用下,裂纹面积扩大。

4所示。讨论

在这项研究中,我们调查:缺陷周围的应力场和裂纹萌生的模式在不同强度参数,以及液压加载裂纹增长的作用。这一节将进一步讨论裂纹扩展模式的影响和液压加载时间序列在压裂过程。

4.1。传播模式的裂纹增长

这项研究的结果表明,裂纹类型的启动由压力和控制precrack的角。首先,周围的应力场缺陷(图2)反映了最小主应力(图的位置2(一个))和最大主应力(图2 (b))产生的缺陷和最大剪切应力(图2 (c))对正交缺陷周围的应力集中区域。其次,数据3和4显示的进化压力缺陷角度的变化。顺序第一种和第二种翼裂纹缺陷的发生15°、30°、45°。类型III裂纹沿同一方向(缺陷)通常发生在60°的缺陷。IV型交叉裂缝发生的缺陷在75°。

此外,我们发现,在岩石样品强度的增加,剪切力会增加,二次裂纹发展和集中在precrack的垂直方向,和主要断裂角降低。剪切骨折在主裂缝的比例会增加,而发生。

第二个骨折是时间更早更明显(图6)。剪切裂缝第一次发现SP4,通过剪切应力统计(图7)。

我们的数值结果与之前的实验研究相一致(30.- - - - - -32]。Lajtai [30.)进行了单轴压缩加载试验,发现裂纹萌生序列如下:(a)拉伸断裂,正常剪切骨折(b), (c)额外的正常剪切骨折导致剪切带的形成,ans (d)倾向于剪切骨折(图18)。实验结果表明,有各种初始缺陷,如裂缝和crack-like材料。和微裂隙总是出现在缺陷或局部应力集中区域。岩石样本的断裂行为应基于压力和能量(32]。标本的开裂行为包含单一缺陷评估系统的单轴压缩下黄和爱因斯坦(31日]。三种裂纹的拉伸,剪切裂纹类型的三种语言。剩下的一个是混合tensile-shear自然,与剪切附近发生缺陷的技巧和同时发生拉伸开远了。实验研究表明,七种裂缝类型有不同的轨迹和启动机制(拉伸/剪切)可能来源于先前存在的缺陷在单轴压缩下(图19)。

从我们的研究中,我们得到一些知识上的裂纹扩展模式。与强度参数的增加,裂纹扩展模式发展从紧张到剪切。和裂纹增长模式从SP1 SP5是纯粹的张力,主要张力,张力剪切,剪切,分别和纯剪切。

4.2。液压加载时间序列对压裂过程的影响

在这项研究中,裂纹扩展模式有显著影响液压加载时间序列。SH1下,液压压力后被应用的主要断裂已经发展为一个特定的时期,只有拉伸裂缝发生(包括计划SP2, SP3, SP4)。仿真表明,拉伸应力和主断裂裂纹的角度也会增加当SP2应用液压加载(数字11和12)。SP3和SP4,压力下降(剪切裂纹)机械载荷作用下发生后比机械载荷作用下(数字(13日)和13 (b))。这表明拉伸裂纹的增长主要断裂表面增强和剪切裂纹是由机械液压加载克制的。应力降的发生时间(剪切裂纹)SP4比早些时候SP3,表明岩石强度的增加有利于剪切裂纹(图的发展13)。

SH2下,液压压力被应用在一个时期剪切裂缝发生后拉伸开裂(包括计划SP3和SP4)。仿真表明,该拉应力随液压加载(数字15和16)。随着强度的增加比率的岩石样本,从抗拉剪裂纹扩展开发。应力降的发生时间(剪切裂纹)机械载荷作用下机械载荷作用下的早于(数字(17日)和17 (b))。原因是最大剪切应力快速发展和剪切裂纹发生之前;增强了机械液压加载剪切裂纹增长。相比SP3和SP4,还得出结论,岩石强度的增加有利于剪切裂纹(图的发展17)。

我们小组以前的物理实验也表明,机械液压加载可以刺激裂纹扩展和断裂33,34]。通过机械液压加载下的声发射试验,陈(33,34)发现,随着水压的增加,岩石内部裂纹的数量增加的时候最后的不稳定(图20.)。这些结果可以解释为,水压力的分割效果产生了裂纹扩展的过程中,导致新裂纹的萌生和扩展。主裂纹的传播和渗透和二次裂纹可能会进一步加速岩石的断裂。

总之,这次调查的主要力量是形成和传播模式precracked岩体裂纹的模拟在不同强度参数和不同的机械液压加载时间序列。然而,这项研究存在以下缺陷:(1)只有一个precrack模拟,和(2)高地热的影响没有考虑。基于内部裂纹缺陷的复杂性和multifield岩体耦合环境中,多个预裂和高地热可以考虑进一步解释开裂指数和断裂机制。

5。结论

摘要内部有限元代码熊猫被用来模拟precracked岩石机械载荷作用下的开裂行为。不同强度参数和机械液压加载的影响因素对裂纹扩展主要是考虑的法则。本研究的主要结论如下:(1)裂缝类型摘要压力和角度的控制缺陷。顺序第一种和第二种翼裂纹缺陷的发生15°、30°、45°。类型III裂纹沿同一方向(缺陷)通常发生在60°的缺陷。IV型交叉裂缝发生的缺陷在75°(2)裂纹扩展模式强烈影响的强度参数的不同方案。抗拉强度逐渐增加,裂纹扩展模式对应于五个方案包括纯拉伸,主要拉力,tensile-shear,主要剪切,分别和纯拉伸。岩体的强度比越大,越早第二骨折(大致垂直于主断裂)出现和发展更明显(3)液压操作的应用时机对裂纹扩展模式产生重大影响。当液压加载在主裂纹扩展阶段,进行剪切裂缝出现后,最大剪应力(第二个骨折)的初始裂缝发展缓慢。这表明拉伸裂纹是在岩石断裂和剪切裂纹由液压加载克制(4)液压加载时进行剪切裂纹扩展阶段,最大剪切应力发展更快,出现剪切破坏。结果表明,剪切破坏和拉伸断裂都是强化条件下的剪切断裂。水压力的分裂效应产生的过程中裂纹扩展,导致新裂纹的萌生和扩展,进一步加速岩石的断裂

本研究不仅有助于理解裂纹形成和扩展的机制复杂的应力环境下也进一步扩大研究的新工程场景,如煤层气测井和隧道突水(15,35]。基于这项研究,可以进行进一步的实验和理论研究综合考虑多个组precrack和高地热的因素。

缩写

分钟:	最小主应力
马克斯:	最大主应力
MAXSH:	最大剪切应力
SP (1 - 5):	五个方案的强度参数
SH (1、2):	两个方案的液压加载。

数据可用性

所有数据、模型和代码生成或使用的研究过程也出现了手稿。根据计算公式和方法,有兴趣的读者可以复制这些结果和数据,可以进行改进来获得不同的结果。

的利益冲突

作者宣称,他们没有利益冲突的工作。

确认

我们要感谢李》博士和Zhiting汉昆士兰大学的“助人”的讨论。熊猫相关的计算是通过运行软件UQ的稀树大草原的超级计算机。工作在经济上支持由中国国家自然科学基金(批准号52074251,9205820028,和U19A20111)和开放基金(批准号SKLGP2015K004和SKLGP2017Z001)地质灾害预防和Geoenvironment保护国家重点实验室,中国

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