岩石节理剪切–渗流耦合试验系统的研制

对所研制的岩石节理剪切–渗流耦合试验系统的结构和功能进行详细介绍。该系统包括法向和切向力加载系统、水压加载系统和渗流剪切盒3部分。最大法向和切向荷载均为600 kN;试样尺寸为200 mm(沿剪切方向)×100 mm(垂直于剪切方向)×100 mm(高)和300 mm(沿剪切方向)×300 mm(垂直于剪切方向)×150 mm(高),可在渗透压力为0.5 MPa(相当于50 m高的水头)时,在节理剪切过程中,剪切盒保持密封不渗漏。其中法向力加载除了可以实现常法向应力和常法向位移的加载方式外,还可以实现常法向刚度的加载方式,更符合客观实际;水压加载系统是用类似“针筒注射器”的装置完成,在试验过程中可分别测量进水口和出水口处的水压和流量;经特殊设计的渗流剪切盒可以保证节理在进行剪切渗流试验中,一定压力的渗流水会沿指定路径流过节理面,且不发生渗漏。将以上各部分形成系统,可以实现岩石节理剪切–渗流耦合试验的功能。利用研制的系统,对取自雅砻江水电站锦屏二期工程的岩样进行试验,结果表明：所研制的新试验系统可以满足节理剪切–渗流耦合试验的要求,且系统操作方便,试验过程稳定,试验数据精度较高,可用于探索水库、大坝、地下洞室的开挖、矿山深度开采、石油深度开采、深部核废料处理、地热开采等极为广泛工程领域的自然现象与深刻规律,为能源与资源的开发提供研究手段。     

多孔介质的变形场-渗流场-温度场耦合有限元分析

在推证多孔介质三场耦合数学模型微分控制方程的基础上,系统地推导了6结点三角形单元的固液两相介质的温度场、变形场、渗流场三场耦合问题的有限元格式,开发了我国的三场耦合数值分析软件CDST,并对该程序的可靠性及分析精度进行了验证,最后运用该软件对一工程实例进行了三场耦合有限元分析。     

多功能岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统研制与应用

为了更真实地揭示应力–渗流条件下岩石节理的(长期)力学、渗流特性规律及其破坏机制,自主研制一套岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统。试验系统主要由主机及伺服加载系统、渗流剪切盒及其密封系统、渗流伺服控制系统、数据测量和采集系统组成。该试验系统的主要创新性如下:(1)自行设计并研制了独特的渗流剪切盒,解决了在3 MPa渗透压力下的节理剪切试验过程中,节理剪切位移达到节理试件长度的10%(20 mm)时节理上下剪切盒在运动过程中密封的关键技术难题;(2)解决了用位移信号反馈控制荷载的伺服控制中交叉控制的技术难题,实现了岩石节理剪切试验的常法向刚度控制方式,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统能进行常法向荷载、常法向位移、常法向刚度3种法向边界控制方式的剪切试验;(3)设计并研制了可以测量大流量和微小流量的岩石节理渗流的流量测试系统,有效地解决了岩石节理渗流试验仪器大范围流量的测量难题;(4)开发了岩石节理全剪切–渗流耦合试验稳压及压差控制系统,解决了在节理试样的进水端和出水端渗透压力差的稳定和可控性问题;(5)设计并研制了可以进行准静态下试验的液压伺服加载系统和蠕变状态下试验的电机伺服加载系统,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统既能进行准静态下也能进行蠕变状态下的相应试验。通过开展不同应力边界条件下的剪切–渗流耦合试验,验证了该系统的准确性和可靠性。试验系统为高渗透水压下的节理剪切–渗流耦合性质的基础研究提供了设备支撑,对促进我国节理力学和水力学特性基础前沿研究起到积极推动作用。     

岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

多孔介质渗流与应力的耦合计算方法

本文以著名的Ｂｉｏｔ理论为基础，用伽辽金有限单元法，建立了同时以结点位移和孔隙水压力为未知量的基本方程组，从而获得了三维渗流与应力耦合的计算方法。     

岩石节理面应力–渗流耦合剪切流变试验系统的研制与应用

为了研究岩石节理面在不同应力和渗流耦合条件下的长期力学特性,自主研制岩石节理面应力-渗流耦合流变试验系统,主要由主机、垂向、剪切伺服加载系统、剪切盒、渗流控制系统以及数据动态釆集系统等部分组成,通过配备专门设计的剪切盒装置,能保证节理面在剪切或者剪切流变试验过程中提供最大5 MPa渗透压力,试样的密封方面既考虑了胶套在围压的作用下对试样周围的包裹实现防渗,同时采用主动与被动加载相结合的方式,满足圆形压头与立方体岩样紧密贴合,使得试验过程中节理面在应力渗流耦合剪切流变过程中不发生侧向渗漏。剪切加载可以实现上下任意一块试样固定,而对另一块进行剪切,也可以实现2个方向同时产生剪切位移;满足常法向应力(CNL)、常法向位移(CNV)下结构面剪切或剪切流变试验研究;并实现结构面剪切条件下渗透率的动态测量;该试验机还可开展结构面应力-渗流耦合作用下不同水力梯度和渗透压的剪切流变试验,并开展含节理面花岗岩在不同边界条件下的各类试验,验证了该系统的准确性和可靠性,为节理面应力-渗流耦合剪切流变特性研究提供了支撑,对丰富和完善岩石节理面应力-渗流耦合流变特性理论研究有一定的指导作用。     

可视化三轴渗流–应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流–应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流–应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流–应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流–应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。     

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

 自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在：(1) 箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2) 地应力加载方式复杂,可实现“三向四级”加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3) 最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

多孔介质流-固耦合渗流数学模型研究

有效应力是多孔介质力学中一个十分重要的基础概念之一，很多多孔介质力学问题的分析都建立在有效应力的概念之上，因此，如何正确地确定有效应力则是多孔介质有关力学理论成败的关键。     

多孔介质多场耦合作用理论 及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应.介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题.较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题.     

煤岩剪切–渗流耦合试验装置研制

详细介绍自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置的结构和功能。该装置系统包括伺服控制加载系统,流体源加载系统,剪切盒及其密封系统,控制与数据采集系统,煤岩断面三维扫描系统5个部分。其中,剪切密封系统可实现高性能综合试验条件下密封效果良好;伺服控制加载系统可提供常法向(剪切)荷载、常法向(剪切)位移加载方式以及不同荷载加载速率与不同位移加载速率的加载方式,并可通过控制与数据采集系统对试验全过程进行实时操控;流体源加载系统可提供高至5 MPa水头压力或气压,并保持稳定;试件剪切变形、法向变形采用位移传感器与变形传感器双重监测手段,可保证高精度条件下完成剪切–渗流耦合试验;煤岩断面三维扫描系统可采集煤岩断面三维信息,便于进一步研究断面特征与裂隙渗流耦合机制。利用该装置对完整砂岩进行试验,结果表明:该煤岩剪切–渗流耦合试验装置满足预期试验功能要求,试验过程稳定,操作简便,试验数据精度高。既可应用于研究裂隙岩体的水力学特性及岩质边坡滑坡机制,也可应用于开展原岩地应力状态及采动影响条件下煤层内部煤岩剪切破断过程及其与煤层瓦斯渗透性耦合机制的试验研究。     

岩石节理剪切-渗流耦合试验系统的研制

对所研制的岩石节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和功能进行详细介绍.该系统包括法向和切向力加载系统、水压加载系统和渗流剪切盒3部分.最大法向和切向荷载均为600 kN;试样尺寸为200 mm(沿剪切方向)×100 mm(垂直于剪切方向)×100 mm(高)和300 mm(沿剪切方向)×300 mm(垂直于剪切方向)×150 mm(高),可在渗透压力为0.5 MPa(相当于50 m高的水头)时,在节理剪切过程中,剪切盒保持密封不渗漏.其中法向力加载除了可以实现常法向应力和常法向位移的加载方式外,还可以实现常法向刚度的加载方式,更符合客观实际;水压加载系统是用类似"针筒注射器"的装置完成,在试验过程中可分别测量进水口和出水口处的水压和流量;经特殊设计的渗流剪切盒可以保证节理在进行剪切渗流试验中,一定压力的渗流水会沿指定路径流过节理面,且不发生渗漏.将以上各部分形成系统,可以实现岩石节理剪切-渗流耦合试验的功能.利用研制的系统,对取自雅砻江水电站锦屏二期工程的岩样进行试验,结果表明:所研制的新试验系统可以满足节理剪切-渗流耦合试验的要求,且系统操作方便,试验过程稳定,试验数据精度较高,可用于探索水库、大坝、地下洞室的开挖、矿山深度开采、石油深度开采、深部核废料处理、地热开采等极为广泛工程领域的自然现象与深刻规律,为能源与资源的开发提供研究手段.     

大尺度单裂隙介质应力–渗流耦合试验台架及其渗透系数测试研究

针对裂隙介质渗透特性的试验及理论进展,结合裂隙介质渗流诱发的工程问题,详细介绍自主研发的裂隙介质渗透试验台架;该台架可实现裂隙介质在法向、切向的同步、异步加载,其最大加载位移均为100 mm,最大加载荷载均为1 000 k N。密封技术是决定裂隙渗流试验成败的关键技术,通过相关调研及研究,针对试验所用的大尺度岩样,提出全新的密封试验技术(岩石表面内外放置密封圈),采用此技术实现了大尺度裂隙介质渗透试验的密封。同时,基于渗流达西定律及立方定律,得到适用于该试验台架的裂隙介质渗透系数计算方法。进一步地,利用该渗透台架,采取岩石表面黏贴细砂的方法模拟岩石表面的粗糙性,初步开展大尺度单裂隙花岗岩的渗透试验。并基于流量平衡原则,剔除无效试验数据,获得该单裂隙花岗岩渗透系数的变化规律,其随着渗透时间的增加,渗透系数逐渐增大,并稳定至某个数值。深入分析渗透系数变化的影响因素,认为裂隙介质表面黏贴的细砂对其渗透性有着决定性的影响。同时进行裂隙介质的表面为光滑、无黏贴细砂状态下的渗透试验,与之相对比,验证了裂隙表面的粗糙性是影响裂隙介质渗透系数的重要因素。渗透试验结果表明:此渗透试验台架采用该计算测试方法获得的参数是准确可信的,可以应用于地下核废料处置、水利水电地下硐室、水下隧道、采矿等工程有关问题的研究中,为能源的开发利用提供有效的研究手段。     

煤层底板岩体采动渗流场–应变场耦合分析

根据五沟煤矿1018工作面地质及水文地质条件,应用三维快速拉格朗日(FLAC3D)流固耦合分析模块,采用变渗透系数方法,对该工作面底板岩体采动渗流应变机制进行数值模拟研究。分析结果表明:采动影响下,围岩渗透系数发生较大的变化,处在采空区正上方的泥岩段最大达到原始渗透系数的1 293倍;根据渗流场分析,工作面采动并没有破坏底板隔水层的阻水性能,采动裂隙没有导通灰岩含水层,灰岩水涌入回采工作面形成水害可能性较小;工作面正下方岩体单元安全度小于1的区域最大深度为30 m。综合渗流场以及隔水底板单元安全度分析结果,10煤底板下灰岩水溃入工作面形成水害可能性较小。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

渗流作用下多孔介质内颗粒迁移与堵塞规律研究

渗流作用下细颗粒在多孔介质中的迁移穿透与堵塞规律对于防止岩土内部侵蚀、提高人工渗滤设施性能具有重要意义.为此,以砾石为填料,基于X-CT技术开展了多孔介质内颗粒在渗流作用下的迁移与堵塞规律研究.研究结果表明,颗粒在多孔介质中的穿透率总体上随着渗流流速的增大而增大,但不同粒径比工况下,渗流流速对穿透率影响呈现出较大差异....     

加卸载条件下石英岩蠕变–渗流耦合规律试验研究

以大东山隧道的石英岩为研究对象,进行循环加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合试验,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流–蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。试验表明:轴向荷载0~50 MPa为压密阶段,继续加载则产生不可恢复变形,当达到160 MPa时蠕变曲线进入加速段;随着轴向荷载水平的增加,渗透率总体趋势先降低后增高,最小值出现在最大压密点,蠕变过程进入加速段以后渗透率急剧增大。采用FLAC3D中的Cvisc模型为蓝本,以体积应变为桥梁建立ZSI(zone state index)与渗透率的关系,自主开发了基于应变软化的改进非线性蠕变西原模型,对试验结果进行验证。数值模拟表明:靠近进水端的渗透率比出水端变化快,不同应力下ZSI值云图的破损区与试验中岩样的"V"型剪切带破坏模式基本一致,渗透率的理论曲线与计算曲线吻合较好。说明提出的模型能够很好地反映加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合特性和局部破坏规律。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

单裂隙花岗岩在应力–渗流–化学耦合作用下的试验研究

 通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。