水化学作用下结构面剪切-渗流-时间耦合机理研究

With the first pilot underground crude oil storage project as the base, a series of shear-seepage-time coupling laboratory test will be conducted on granite rock joints subjected to different chemical solution. The X-ray diffraction and 3-D laser scanning will be used to investigate the change of mineral constituent and surface morphology before and after test. The basic mechanical properties, penetration properties, long-term properties will be analyzed. Damage tensor will be established based on the mass conservation equation and rock joints surface morphology properties. By analyzing the relationships between ion concentration, penetration pressure, normal stress, shear stress and the above damage tensor, the evolution theory of rock joints subject to chemical effect will be obtained . The shear-seepage-time coupling constitutive model of rock joints will be proposed. Furthermore, the numerical simulation will be conducted to inspect and verify the theoretical constitutive model. Finally, a large-scale numerical simulation will be conducted to study the shear stress properties, damage evolvement, penetration properties and long-term properties.

本项目以首个国家石油储备库地下水封洞库工程为项目依托，通过开展不同水化学作用下花岗岩结构面剪切-渗流-时间耦合试验，结合X衍射及三维激光扫描技术，研究水化学作用下花岗岩结构面的基本力学特性、渗透特性、长期变形与强度特性。提出基于质量守恒方程和结构面表面形貌演化特征的损伤张量表达式，研究蠕变过程中损伤张量与离子浓度、渗透压力、法向应力、剪切应力和时间之间的关系。获得水化学作用下结构面渗透特性、长期变形与强度特性演化机制。建立水化学作用下结构面剪切-渗流-时间耦合数值模型，并进行数值计算方法研究。最后，进行实际工程的数值仿真计算，对节理裂隙围岩剪切强度特性、损伤演化、渗透特性、长期变形等特性进行分析，与现场监测数据进行对比分析，为工程提供理论指导。

本项目以岩体地下水化学效应及流固耦合特征为研究内容，通过开展室内试验、结合理论分析、数值模拟与现场监测等方法，系统地开展了以下研究：1）、水化学效应下岩石蠕变试验与本构模型研究；2）、地下水封石油洞库裂隙岩体疲劳特性及应力-渗流耦合特征研究；3）、地下水封石油洞库地下水化学场演化特征。通过研究，分析了不同水化学溶液对岩石蠕变特性的影响规律，提出了基于内变量的岩石蠕变本构模型；获得了岩石疲劳力学特性及其基于内变量的疲劳力学模型； 揭示了应力-渗流耦合对地下水封石油洞库水封性影响特征；获得了依托工程地下水化学场演化特征，分析水化学环境对油库的影响。研究成果应用于我国首个国家地下水封石油洞库工程，取得了较好的效果。