深部地下工程开挖卸荷会打破岩体原始应力平衡,引发围岩损伤、失稳与渗流灾害。传统物理试验难以可视化细观损伤与渗透演化过程。
本文采用PFC²ᴰ颗粒流离散元,开展围压卸载三轴渗透数值模拟,从细观层面揭示砂岩损伤、能量转换与渗透演化的内在机理。
一、数值模型构建
采用PFC²ᴰ平行黏结模型与管域流固耦合算法,还原砂岩细观结构。模型尺寸50mm×25mm,生成颗粒7059个,孔隙率6.5%。
设置10MPa、20MPa、30MPa三档初始围压,施加1MPa恒定渗透压差。经参数标定,模拟与试验应力-应变曲线高度吻合。


二、模拟工况与研究方法
模拟严格复刻室内试验路径:先加围压至设定值,轴压加至峰值强度80%后恒定轴压、卸载围压至试样破坏。
聚焦三大研究变量:初始围压等级、加卸载路径、细观响应特征,系统分析声发射、裂纹、力链、能量及渗透率的演化规律。

三、模拟结果与规律
1. 声发射与裂纹演化
声发射呈现平静、稳定、爆发、降低四阶段特征。卸围压前裂纹数量极少,卸荷后裂纹急剧增殖。
破坏时裂纹数随初始围压升高显著增多,30MPa围压下裂纹数达3403个。

2. 力链与能量特征
接触力链向剪切带集中,围压越高力链空白区域越多,应力集中程度越强。
试样破坏时总输入能、弹性应变能、耗散能均随初始围压增大而上升。


3. 渗透演化规律
渗透率呈降低→缓慢增长→快速增长三阶段变化。裂纹贯通形成宏观剪切带后,渗流由"孔隙流"转为"裂隙流"。
剪切带渗透率较完整区域提升1~2个数量级。


四、作用机理与工程价值
围压卸载通过改变应力集中、裂纹扩展、力链分布调控砂岩力学与渗透性能。高围压会加剧裂纹发育与渗流通道贯通。
PFC²ᴰ可精准还原卸荷-渗流耦合细观过程,明确围压对砂岩损伤与渗透的控制机制。
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