高放废物处置库黏土围岩温度-渗流-应力耦合数值分析

深地质高放射性废物处置库运营过程中,围岩通常处在复杂的温度-渗流-应力多场共同影响的地质环境中,在温度-渗流-应力耦合作用下,合理地确定高放废物处置库硐室间距范围对处置库设计和长期安全稳定性评价尤为重要。基于国内外研究资料,针对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩,使用FLAC3D有限差分软件模拟计算了4种不同的硐室间距,并通过对围岩温度场、渗流场、应力场和变形场进行对比分析,对高放废物处置库硐室间距进行了优化。结果表明:在温度-渗流-应力三场耦合作用下,高放废物处置库黏土围岩相邻硐室间距最优设计值为10~12 m;当硐室间距小于10 m时,废物罐中心温度峰值超过了最高温度设计值100℃,当硐室间距大于12 m时,相邻硐室间的影响逐渐减弱,温度峰值逐渐趋近于单硐室。研究结果可为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验,获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论,建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程,并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景,对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后,采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合,证明了数值计算模型及预测结果的合理性。

黏土岩温度-渗流-应力耦合特性试验与本构模型研究进展

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场(T)、渗流场(H)和应力场(M)的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强度、蠕变特性。在此基础上,重点分析了黏土岩水-热迁移模型以及热-力耦合本构模型的适应性。基于上述认识,通过试验研究了比利时Boom clay在温度作用下的强度、渗透性、蠕变性等特征。结果表明:随着温度升高,Boom clay的强度有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率明显加快。提出了适用于Boom clay的THM耦合弹塑性损伤模型,计算结果验证了模型能合理反映温度的影响。最后,探讨了黏土岩THM耦合机理研究的不足和今后的研究方向。

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。

泥岩核废料处置库温度-渗流-应力耦合参数敏感性分析

针对比利时HADES地下实验室PRACLAY现场加热试验,应用温度-渗流-应力耦合弹塑性模型,模拟现场加热过程中泥岩核废料处置库的水力学响应特征。采用单因素分析法,就泥岩热、水、力学参数对核废料处置库围岩孔压、温度、有效应力的影响进行了三维有限元分析。并基于参数敏感性分析结果,就温度、渗流、应力三场两两耦合作用对处置库围岩水力学响应的影响程度进行了系统分析。研究结果表明:泥岩热、水、力学参数中,渗透系数、弹性模量以及导热系数对加温所导致的超孔压的值影响较大;凝聚力、内摩擦角以及热膨胀系数对孔压的影响较小,但会显著影响围岩的有效应力;导热系数对围岩温度场的分布有决定性影响,温度传递的差异会显著影响围岩的孔压和有效应力;不同的热、水、力学参数对孔压、温度以及有效应力的影响机制是不同的,温度、渗流、应力三场两两耦合作用对围岩水力学响应的影响程度也存在显著的差异性。温度场对应力场、温度场对渗流场的耦合效应十分显著,加热后,围岩超孔压的产生以及热膨胀导致的有效应力变化会显著影响处置库的稳定。该研究结果在一定程度上可以为核废料处置库泥岩的热、水、力学参数的确定及耦合机制分析提供科学依据。

并联型软岩温度-渗流-应力耦合三轴流变仪的研制

为研究温度-渗流-应力耦合条件下软岩的长期力学特性,研制了并联型软岩温度-渗流-应力(THM)耦合三轴流变仪。该仪器适用于开展软岩在不同温度和应力条件下的力学特性的试验研究。仪器通过伺服控制实现试验过程中自动稳压、试验数据自动采集以及温度、水压力和应力独立控制的梯度加载,设备采用高精度的LVDT变形传感器对试样的变形进行精确测量。设备可以完成的试验包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、三轴流变试验、循环加卸载试验以及稳态与瞬态条件下的渗透性测试。试验机由于其独特的设置可以同时对2个试样进行相同围压和水压,不同轴压和温度的试验,大大节约了试验的时间成本,尤其是长期力学性能试验,同时更为有效地减少试验的系统误差。近一年的试验,表明该试验机稳定性好,测量精度高,是一套功能齐全,使用方便的试验装置。

脉冲离子束作用下的靶温度场-应力场耦合分析

靶温对无冷却装置的密封式中子发生器的靶寿命有重要影响。为对脉冲离子束作用下靶进行热-力耦合分析,采用以时-空二维高斯轴对称分布的功率密度为热源的间接耦合的有限元方法,获得了不同脉冲离子束工作状态下的靶温度场和应力场有限元分析结果。结合密封式中子发生器的靶温要求和热应力引起的靶膜热-力破坏效应,优化了密封式中子发生器中的脉冲离子束工作参数。

温度-应力-化学三场耦合作用下深部软岩巷道蠕变规律数值模拟

描述了所建立的连续介质温度场-应力场-化学场三场耦合控制方程。使用有限元程序对地下1 500 m的深部软岩巷道蠕变规律进行了温度场、应力场和化学场三场耦合过程的三维数值模拟,分析了温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变规律的影响。结果表明,深部软岩巷道产生大应变,主要来源是蠕变,弹性应变和热应变次之;温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,应力场影响最大,化学场和温度场次之。

双重介质温度场-渗流场-应力场耦合模型及三维数值研究

在建立双重介质温度场-渗流场-应力场耦合微分控制方程基础上,提出研究裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的双重介质模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,提出该数学模型的求解策略与方法,开发双重介质流固热耦合分析的计算程序,通过模拟地下2200m的高温岩体地热开发系统的算例发现,注入井附近温度场-渗流场-应力场三场耦合作用十分明显的,主干裂隙对渗流场、温度场和应力场的整体分布具显著影响。与渗流场-应力场耦合,应力场-温度场耦合进行比较,探讨各场耦合效应的强弱,可以得出,在一定空间、时间域内,往往存在着起主导控制作用的双场耦合系统,变温条件下温度场对裂隙渗流场具显著耦合作用,从而论证了存在温度变化梯度的岩土工程中进行三场耦合分析的重要性。

低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明:该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明:极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。

反复温度-应力耦合作用下引水隧洞变形特征

深埋引水隧洞在通过高地温区域时,伴随着开挖卸荷—通风降温—通水运行的全过程,隧洞围岩将经历反复的温度-应力耦合作用,使得围岩的变形破坏更为复杂。对齐热哈塔尔水电站深埋引水隧洞高地温洞段进行三维数值分析,详细研究了围岩在经历开挖、两次降温以及内水压力共同作用的全过程变形特征,比选了衬砌设计方案。结果表明:温度对围岩径向深度5 m范围内影响很大,此范围内围岩在经历反复温度-应力耦合作用后,不仅位移明显增大,而且可能会加重岩体损伤程度,但一定的内水压力有利于围岩稳定;施做二次衬砌能控制围岩变形,使原本隆起的拱脚变为下沉,但是仅通过增加二次衬砌厚度来抑制围岩变形和改善衬砌应力的作用是有限的。

温度-应力耦合作用下沥青路面力学响应研究

为了研究温度和行车荷载对沥青路面的损坏,应用ABAQUS有限元软件对高速公路沥青路面典型设计方案进行建模,分析温度-应力场耦合作用下沥青路面结构的响应情况。结果表明:应力和位移均随温度产生波动变化;路面结构的波动变化导致路面材料产生疲劳破坏;随着温度的提高,剪应力在面层内部的发散范围增大,面层结构温度升高,出现剪应力破坏的可能性增大。

焊接残余应力的温度-组织-应力耦合分析

在应变加和分解式的基础上,通过引入相变应变增量描述模型,采用均匀化方法对多相组织力学行为进行描述,构建可以对温度-组织-应力耦合关系进行表征的模型,并将该模型应用于对9Cr1Mo钢管道环焊缝接头焊接残余应力的分析中.结果表明,在数值模拟中,使用三维有限元模型进行计算,计算结果很好的体现了在焊接过程中马氏体相变随热源移动逐渐进行的过程.在对焊接残余应力的表征上,无论是在残余应力沿管道轴向分布的特征,还是在具体的残余应力水平上,三维有限元计算的结果均与实际测量结果取得了较好的吻合.

基于温度-应力耦合效应的冻土高边坡稳定特性分析

以京新高速某季节性冻土高边坡为背景,通过考虑伴有相变的瞬态温度场与应力场耦合,运用有限元分析软件ANSYS,分别模拟研究了含水率、温度、坡率、有无护坡等因素对边坡位移场、应力场和温度场的影响,并通过比较边坡安全系数的大小,判断各因素对边坡稳定性的影响。计算结果表明:边坡稳定性与含水率、坡率、边坡高度呈负相关,即数值越大稳定性越低;而温度作为影响季冻区边坡稳定的重要外部条件,当负温值位于-10℃以上时,各个指标对其敏感度较高,随着温度的进一步降低,各指标对温度的灵敏度逐渐减小;此外,施作护坡可有效地减小边坡的最大位移和冻结深度,增强其稳定性。

不同开挖方式下高地温引水隧洞围岩瞬态温度-应力耦合分析

为研究高地温引水隧洞围岩在温度-应力耦合作用下的瞬态应力分布特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,基于Mohr-Coulomb本构模型,采用有限元法分别对全断面开挖方式和分层开挖方式下的高地温引水隧洞围岩瞬态温度-应力耦合场进行模拟分析。结果表明,不同开挖方式下围岩塑性区不同,全断面开挖方式下围岩塑性区范围约为分层开挖条件下的2倍;隧洞开挖后随着时间的推移,围岩腰拱处压应力逐渐减小,高压应力区自洞壁逐渐向深处移动,围岩压应力最大值位于腰拱0. 4 m深度处;全断面开挖围岩最小主应力比分层开挖小18%。

基于对流-导热耦合模型的寒区水工隧洞围岩温度-应力耦合分析

为研究不同环境条件下水工隧洞围岩瞬态温度-应力耦合场的分布特性及变化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于M-C本构模型,采用有限元仿真计算,对不同自然通风温度和不同风速下水工隧洞洞口及洞中位置围岩温度-应力耦合场进行系统分析。结果表明,隧洞洞中位置的温度高于洞口,自然通风时洞中位置产生的温差大于洞口位置;由温差产生的温度应力(拉应力)抵消了部分围岩压应力,洞中位置主应力受对流-导热影响大于洞口;通风时间增加,隧洞的塑性应变值及塑性区范围都增加,150 d时塑性应变值在洞口腰拱位置较大,为0.019,塑性区半径约为1倍洞径,厚度约为2.08 m;通风风速增加,隧洞主应力值及塑性应变值都减小,但变化幅度很小;通过150 d有无温度荷载条件对比得出,温度应力在腰拱位置最大,为0.16 MPa。

印刷电路板温度-应力耦合场有限元分析

温度和热应力是引起印刷电路板功能失效的重要原因,针对某电子设备的PCB,对其温度-应力耦合场进行有限元分析,找出了印刷电路最大可能的失效区域;采用DOE方法对元器件结构布局进行了优化设计,使离面正负最大变形量达到最小值,应力集中得到了改善,提高了PCB的使用寿命。

盐岩温度与应力耦合损伤研究

盐岩应力与温度耦合损伤研究对处在深层盐岩的地下空间利用有重要意义。从微观统计的角度出发,通过岩石细观力学的分析、综合,修正前人的研究成果,从而建立温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。为验证所提方程的有效性,进行不同围压和温度下的盐岩力学特性试验,分析围压和温度对其力学特性的影响,尤其是对损伤的影响。试验结果表明:围压可抑制损伤的发展,而温度的升高,则在一定的范围内造成损伤的加剧。根据试验结果进行参数拟合,验证所提出的损伤方程的有效性。

温度-应力耦合模型的引水隧洞开挖方式选择

高岩温对地下洞室工程的围岩结构稳定存在重要影响。文章以辽宁省观音阁输水工程高岩温洞段为例,利用基于温度-应力耦合模型的有限元模拟计算的方式,对不同开挖方式下的围岩应力场和塑性区进行数值模拟。根据模拟结果,建议研究洞段采用分层开挖方式进行施工并对拱腰围岩尽早进行加固处理。

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90℃范围、三轴室活塞最大轴向力1000kN、围压40MPa内对直径50和100mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(<90℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明:研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。