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随着地下能源、地下工程不断的向深部发展,其所处的地质环境变得尤为复杂,高渗透压力、多相流以及高地应力条件下岩体力学问题的研究已经提上日程,因此面临的主要问题有:
1.如何在连续介质力学框架下表征岩土孔隙材料特殊的力学性质以研究峰后力学行为？
2.三维地应力条件下多相流体压裂地层岩石问题。
本文基于自主研制的厚壁圆筒式两相流体致裂仪,结合物理学中的摩擦原理、张量函数表示理论、孔隙介质力学以及断裂力学等理论,从结构面效应、体积变化和形状畸变、孔隙度演化三个线索着眼,对上述两个问题进行初步探索。本文的主要研究工作和成果如下:
1.基于自主研制的厚壁圆筒式两相流体致裂仪进行试验结果重复性验证试验、两相条件下岩石致裂试验、孔隙介质力学参数的测试试验、应力路径功能验证试验。试验结果表明,该致裂仪的试验结果具有较高的可重复性。试验过程中能够有效控制饱和度大小。
2.在摩擦原理的框架下提出岩土材料变形和破坏的自由能函数。结果表明,由于岩土材料存在摩擦特性、拉压模量以及抗压抗拉强度不一致导致应力球张量和应力偏张量响应的交叉影响、压硬等效应。同传统的岩土弹塑性理论相比,基于摩擦原理的岩土变形和破坏自由能模型能更好地反映岩土材料变形和破坏的物理机制,揭示剪切和张拉破坏的内在统一性,为研究应力-应变全曲线提供新的手段。也能够定量解释室内试验岩石特殊的力学行为。
3.分析了岩土孔隙材料中的孔隙流体效应可能存在平衡和非平衡现象,指出当前孔隙介质理论不能描述孔隙中非平衡现象的原因,发现了孔隙流体效应具有向量性质。基于张量函数表示理论提出完备不可约意义下的理想孔隙介质力学响应的自由能函数模型,然后得到适合岩土孔隙材料力学行为的自由能函数。通过功共轭原理,提出总应力和孔隙度演化模型。
4.基于复变函数理论和前面的孔隙度演化模型研究三维地应力条件下水力压裂的三维币型裂纹解析模型,给出裂纹尖端应力场的解析解。
综上所述,本论文通过一系列的厚壁圆筒试验和理论研究,进行了两相条件下岩石致裂试验,建立岩土材料变形和破坏的自由能函数和完备不可约的岩土孔隙材料模型,建立了三维地应力条件下水力压裂的三维币型裂纹模型。本论文的研究结果为进行大尺度下和复杂地质环境下的岩土工程提供新的思路;同时,以此为基础,可以对多相流效应对岩石孔隙材料变形和断裂进行深入的试验研究。