文献分享：岩石力学的物理力学性质与开裂模拟

 

未来，人类在太空中的活动，如小行星采矿，将需要岩土工程的帮助。通过航天器和陨石采集的样品返回任务获得的岩石样品通常是罕见的、碎片化的和任意形状的。这些样品很难加工成传统宏观测试方法（如MTS测试）所需的标准圆柱体，导致应用微观岩石力学实验（micro-RME）来推导这些样品的宏观杨氏模量。首先，在花岗岩样品的背景下，比较了三种放大方法的性能，包括Voigt-Reuss-Hill（V-R–H）方法、Mori-Tanaka（M-T）方法和精确晶粒模型（AGBM）。此外，还对这三种方法的统计误差进行了量化。与V-R-H法和M-T法相比，AGBM法是最准确的。其次，使用微型RME测量了Hammadah al-Hamra 346（HaH 346）小行星陨石中岩石形成矿物和界面的力学性能，并用于生成AGBM。最后，使用基于AGBM的模型估计了HaH346陨石的宏观杨氏模量。目前的方法是研究小行星采矿过程中非常规岩石样本力学性质的潜在候选方法。

 

 

 

 

 

岩石爆破物理的复杂性是一个长期存在的建模挑战。这项工作详细介绍了一个基于三维材料非线性有限元的波浪传播模型，并结合后处理程序来确定爆破引起的断裂强度。岩石采用Johnson–Holmquist-2本构模型进行描述，这是一种弹塑性损伤模型，专为经历高应变速率、高压和破裂的脆性材料设计；它还与瞬时拉伸失效模型相结合。此外，通过元素水平上材料特性的变化，将材料的不均匀性引入到模型中，确保应变的跳跃。提出了Johnson–Holmquist-2和拉伸失效组合模型的详细算法，该算法被证明是节能的，并辅以该模型的开源MATLABTM实现。进行了一系列亚尺度数值实验来验证建模和后处理程序，并考虑了一系列材料、爆炸波和几何形状，以定量和定性地证明该模型对断裂强度的预测能力。给出了二维平面和三维体积上的断裂强度。探讨了该方法的网格相关性，表明网格密度的变化保持了相似的结果，并随着网格质量的提高而改善。模拟中的损伤模式是自组织的，并形成薄的、平面的、类似裂缝的结构，与实验中观察到的裂缝非常匹配。所提出的模型是爆炸连续体建模的现实主义进步，因为它能够实现完全三维的波浪相互作用，处理压缩和拉伸引起的损伤，并且只依赖于可测量的材料特性。

 

 

 

 

 

这项研究提出了一个三维数值分析的多裂缝增长导致周围的核废料沉积钻孔剥落。利用基于有限元的裂纹扩展模拟器模拟了钻井后应力放大引起的机械剥落。根据损伤准则，裂缝在拉伸状态下产生，并通过评估每个裂缝尖端的应力强度因子来增长。尖端传播是多模态的，导致最终的断裂模式是拉伸和剪切破坏的代表。它们的几何形状由光滑的参数曲面表示，这些参数曲面在生长过程中使用放样进行演化。在每个生长阶段对相应的表面网格和体积网格进行更新，以适应不断演化的断裂几何形状。通过与 AECL 地下岩石实验室矿山裂隙模式的对比，验证了数值模型的正确性。随后对其进行校准，以模拟在 Forsmark 花岗闪长岩中钻孔周围的裂缝起始和生长，受到远场各向异性三轴应力，与瑞典 Forsmark 地点的地应力模型相对应。沉积隧道是通过将沉积钻孔附加到自由区域边界来隐式模拟的。研究了几个地质力学实例，数值计算了地应力状态、隧道方向、钻孔几何形状、钻孔总数和钻孔间距对裂缝发育的影响。数值结果表明，在福斯马克地下条件下，所有情况下都会发生剥落，井眼几何形状、间距和应力影响裂缝形核和生长模式的程度。地下应力状态的不确定性是通过相对于隧道底板的不同应力大小和方向来评定的。隧道方向影响裂缝相对于隧道底板起裂的相对位置，而裂缝的发育及其最终程度则取决于地应力的相对大小。较高的应力差导致较高的剥落深度，但在所有情况下，破坏程度局限于钻孔附近，不超过一个钻孔半径。圆柱形钻孔在顶部进行了改进，为乏燃料罐提供了一个进入斜坡，并且模拟了具有圆柱形、锥形和楔形形状的钻孔顶部在几个沉积钻孔周围的裂缝生长。随着钻孔顶部的扩大，钻孔-隧道交界处的应力集中程度增加，接近隧道底部的剥落严重程度增加。当考虑多个井眼模型时，井间距离足够小，相邻的“剥落”区域相互作用，就会发生大规模破坏。在福斯马克，当钻孔间距小于4米。对于每个试验案例说明了剥落对沉积钻孔结构完整性的影响，并根据最大剥落深度、剥落宽度和总裂缝面积进行了量化。

 

 

 

 

使用两阶段耦合热弹性模型对冷CO2的注入进行三维建模，目的是评估孔隙的变化和裂缝的潜在增长。考虑裂缝和岩石基质内的非等温流动，通过传质项将两个流动域耦合。数值模型是使用标准有限元开发的，空间离散化使用伽辽金方法实现，时间离散化使用有限差分。开发了一个基于北海Goldeneye枯竭油气藏的全尺寸现场实例几何模型，并用于模拟。现场断层离散地建模为三维矩阵中的不连续表面，包括基底、储层、盖层和覆盖层。断层最初被认为是低渗透断层，其渗透率与盖层相同。然而，模拟表明，由于注入相对较冷的CO2引起的热弹性效应，它们的孔径（以及因此的渗透率）发生了变化。裂缝孔径的变化主要是由于热效应；由于冷却，储层经历收缩，显著增加了储层内断层区域的断层孔径，而盖层内的断层孔径减小。研究了热弹性载荷作用下裂缝的扩展。结果表明，到注入井的距离以及裂缝相对于注入井的空间方向会影响裂缝的孔隙演化和潜在增长。对影响裂缝生长的参数进行敏感性分析：作用在断裂面上的最小法向应力、断裂倾角和接触摩擦系数。研究发现，裂缝表面上的低摩擦、低法向接触应力或高原位剪切应力可能在储层内或储层与盖层的界面处触发II和III组合模式下的传播。

 

 

 

本文介绍了一种三维有限元公式，用于精确模拟压缩载荷下裂隙介质的线弹性变形。所提出的方法应用经典的增广拉格朗日（AL）-Uzawa方法来评估多个相互作用和相交的离散裂缝的生长。采用非结构化二次三角四面体网格对体积和曲面进行离散；四分之一点三角形和四面体被放置在断裂尖端周围。为了获得高接触精度，使用等参积分点对积分点接触离散化和基于间隙的增广程序对裂纹面之间的摩擦接触进行了建模。接触力通过在与断裂尖端相邻且具有从接触区域排除的边界的元素上插值牵引来更新。采用位移相关法和盘形域积分法对应力强度因子进行了数值计算。提出了一种新的裂纹前缘附近惩罚参数的平方根奇异变化，以精确地模拟裂纹前缘附近的接触牵引。根据分析解决方案验证牵引和压缩应力强度因子。给出了包含1、2、24和70个相互作用和相交裂缝的立方体的数值例子。