Χαρακτηρισμός και Προσομοίωση της Μηχανικής και Υδρομηχανικής Συμπεριφοράς Ρωγματωμένων Πετρωμάτων

Abstract

Στην παρούσα εργασία, έγινε προσπάθεια προσομοίωσης της μηχαμικής και υδραυλικής συμπεριφοράς ρωγματωμένων δειγμάτων πετρώματος με τη μέθοδο διακριτών στοιχείων και συγκεκριμένα με τον αριθμητικό κώδικα 3DEC. Στόχο της εργασίας αποτέλεσε η εξαγωγή των ισοδύναμων ελαστικών σταθερών, στο πλαίσιο της θεώρησης του δείγματος ως ένα ισοδύναμο συνεχές και ελαστικό μέσο. Εξετάστηκε η συμπεριφορά των δειγμάτων υπό την τάση ορθών και διατμητικών τάσεων (μηχανική συμπεριφορά) καθώς και υπό τη δράση σταθερής βαθμίδας πίεσης, λόγω της ροής υγρού μέσω των ασυνεχειών των διαφορετικών δειγμάτων (υδραυλική συμπεριφορά). Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται η προσπάθεια εύρεσης των κατάλληλων οριακών συνθηκών για την ομαλή διεξαγωγή των προσομόιώσεων και εξετάζεται η καταλληλότητα αυτών μέσω της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων και της σύγκρισης με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. Στην εργασία εξετάστηκαν συμμετρικά ρωγματωμένα δείγματα πετρώματος, με σκοπό την διερεύνηση του αριθμητιού κώδικα 3DEC και τη μελλοντική προσομοίωση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς δειγμάτων πετρώματος τα οποία διατέμνονται από ασυνέχειες τυχαίου προσανατολισμού. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στην προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των υπό εξέταση δειγμάτων, λόγω προβλημάτων που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης συγκεκριμένων περιπτώσεων (π.χ δείγμα με μία κεκλιμένη ασυνέχεια). Για το λόγο αυτό, αναλύονται τρεις διαφορετικές περιπτώσεις: δείγμα άρρηκτου, ελαστικού πετρώματος, δείγμα ελαστικού πετρώματος που διατέμνεται από μια οριζόντια ασυνέχεια και τέλος δείγμα ελαστικού πετρώματος με τρεις κάθετες μεταξύ τους ασυνέχειες. Παρουσιάζονται συνεπώς, οι οριακές συνθήκες που επιλέχτηκαν, οι οποίες περιλαμβάνουν την επιβολή τάσεων και μετατοπίσεων στις εξωτερικές πλευρές του δείγματος, καθώς και η περαιτέρω ερμηνεία των άμεσων αποτελεσμάτων που λήφθηκαν από τον αριθμητικό κώδικα 3DEC για την εξαγωγή των ισοδύναμων μηχανικών και υδραυλικών συντελεστών των δειγμάτων και την εξέταση της εγκυρότητας και αντικειμενικότητας των αριθμητικών προσομοιώσεων.

In the present diploma thesis there has been an attempt to simulate the mechanical and hydraulic behavior of 3D fractured rock samples. Objective of this effort was the estimation of the equivalent elastic coefficients under the consideration of the sample as an equivalent continuum elastic medium. The behavior of the samples was investigated when subjected to normal and shear stresses (mechanical behavior) and to fixed total pressure gradient, due to the fracture fluid flow (hydraulic behavior). In details, an attempt was made towards the determination of the most suitable boundary conditions for the realization of the simulations, whose suitability is discussed through the evaluation of the obtained results. In the following thesis, symmetrically fractured rock samples were examined in order to investigate the 3DEC code and to potentially be able to simulate and predict the behavior of non- symmetrically fractured rock samples. Particular attention was given to the simulation of the mechanical behavior of the samples under consideration, due to problems encountered during the simulation of certain samples (e.g. sample including an inclined joint). Therefore, three different cases were analysed: non fractured elastic rock sample, elastic rock sample traversed by a single horizontal joint, elastic rock sample traversed by three orthogonal joints. The selected boundary conditions are presented, which consist of imposing both stress and displacement along the boundary faces of the sampe. In addition, further interpretation of the results obtained by 3DEC was carried out, in order to examine the validity and objectivity of the simulations through the comparison of the calculated equivalent elastic coefficients with the ones predicted theoretically.