不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

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1、第21卷第4期计算力学学报VOl.21NO.42004年8月ChinesejournalofComputationalMechanicsAugust2004==================================================================文章编号:1007-4708(2004)04-0419-06不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟杨天鸿1唐春安1芮勇勤2朱万成1李元辉1谭国焕2(1.东北大学岩石破裂与失稳研究中心辽宁沈阳110006;2.香港大学土木工程系香港)摘要:从岩石细观

2、非均匀性的特点出发提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型O在这个数值模型中单元的力学~水力学性质根据统计分布而变化以体现材料的随机不均质性材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现O算例表明该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式~失稳压力的影响非均匀性导致试件的开裂压力~失稳压力明显不同裂纹扩展路径不规则发展模拟结果和实验结果较为一致O关键词:水压致裂;非均匀性;数值模拟;破裂过程中图分类号:TU455文献标识码:A材料连续损伤力学是研究材料和结构损伤~破1引

3、言坏过程机理的重要工具在KachanOv和Perkins-岩石水压致裂过程实际上就是水压驱动下微Kern-NOrdgren模型中在裂纹尖端存在损伤弱化裂纹萌生~扩展~贯通直到最后宏观裂纹产生导致区这种模型的合理性以及求解的精度具有一定的失稳破裂的过程[1]O研究其破坏过程有利于认识岩尺度效应网格的精度对结果有一定的影响网格体含水节理的扩展~贯通机制明确岩体损伤破裂精度的选取应满足网格精度的细微变化不会导致计算结果出现明显差异OValkOP[8]用这两种方法与渗流相互作用的发生机理O对于水压破裂最常用的解释是由~ubbert和模拟分析水压致

4、裂作用下岩石的损伤和开裂过程O[2]提出的O之后基于线弹性和非线性的断裂很多学者通过岩石应力-应变-渗透率全过程Willis力学理论一直被广泛地应用[34]实验[9-11]和研究水力压裂问题[12-13]已经认识到分O这种方法假设材料是连续的预测裂纹萌生的基础在于将计算出的析细观缺陷结构的演化更能深入地解释宏观裂纹应力强度因子于岩石的断裂韧度作比较O他的缺点扩展与渗流的耦合现象因此建立细观力学模型及是不能预测裂纹的萌生同时对于某些假定的初始数值方法能够从细观力学的更高层次上解释宏观裂纹裂纹本身临界尺寸(包括过程区)本构关系工程岩体渗流-应

5、力耦合作用下的破坏~失稳行为O(应力与裂纹张开位移之间的关系)需要人为确2数值模拟系统简介定[5]O目前已建立的基于断裂力学的数值模型有分离裂缝模型(DiscreteCrackMOdel)~分布裂缝模本文从细观角度建立了岩体渗流-应力-损伤耦型(SmearedCrackMOdel)和内嵌单元裂缝法合模型(FSDMOdel)开发出岩石破裂过程渗流-应[6]力耦合分析系统(COuplingSystemOfFlOWand(Element-EmbeddedCrackApprOach)OKeivan应用这三种数值模型并对比实验结果来模拟带SOlid

6、inROckFailurePrOcessAnalysis简称F-孔的圆环加油压胀裂后所形成的裂缝OJeffrey[7]用RFPA2D)[1415]本文的模型基于以下基本假设:分离裂缝模型模拟研究水压致裂过程O(1)岩石材料介质中的流体遵循BiOt渗流理论[16];收稿日期:2002-10-28;修改稿收到日期:2003-06-20.(2)岩石介质为带有残余强度的弹脆性材料基金项目:国家自然科学基金(50204003);湖南省自然科学基金其加载和卸载过程的力学行为符合弹性损伤理论;重点项目(01JJY2041);湖南省教育厅重点基金项目(0

7、1A019);香港专项研究基金(~KU7029/02E);(3)最大拉伸强度准则和MOhrCOulOmb准国家自然科学基金重点项目(50134040)资助.则作为损伤阈值对单元进行损伤判断;作者简介:杨天鸿(1968-)男博士后副教授;唐春安(1958-)男博士生导师长江学者特聘(4)在弹性状态下材料的应力-渗透系数关教授.系按负指数方程描述[17]材料破坏后渗透系数明42O计算力学学报第21卷显增大;轴,也认为渗透系数有一定的增高0(5)材料细观结构的力学参数,按Weibull分2.2数值模拟方法实现布进行赋值,以引入非均匀性式(1)0

8、在模型中,非均匀材料由大量的参数互有差异m-1m的细观单元组成,渗流和应力计算用有限元方法,mSS@(S,m)=exp-(1)SO(SO)[(SO)]对于每一个载荷步,进行渗流-应力耦合静态计