PFC²ᴰ数值模拟|围压卸载下砂岩损伤及渗透演化研究

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。

欢迎关注【材料结构CAE实验室】

获取更多CAE仿真技术与工程应用案例

提供从建模到报告的全流程服务，包售后优化，欢迎咨询！ V：ky125675