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。     

节理在初始接触状态下空腔分布的确定及应用

上下节理面的初始接触状态对节理后续的剪切和剪切渗流特性起到了重要作用。自行研制的TJXW-3D型便携式岩石节理表面形貌测量仪具有识别标志点的功能,利用该表面形貌测量仪首先对侧面贴有标志点的处于初始闭合状态的节理试样和上下节理面分别进行扫描,扫描结束后利用标志点将上下节理面分别对齐到其在初始接触状态下的坐标系中,最终获得节理初始空腔数据。初步分析了3种不同粗糙度的节理面在初始接触状态下节理隙宽的分布规律,与前人研究成果基本吻合。各节理隙宽分布符合高斯分布,平均隙宽为0.31~0.41 mm。为了展示节理空腔的应用,将计算得到的节理初始空腔数据应用到节理法向闭合Brown模型中,与法向压缩试验结果进行对比。Brown模型预测结果比试验结果相对较大,主要原因在于Brown模型无法考虑各突起之间的相互作用。研究成果可为节理剪切-渗流的研究,尤其是为节理剪切渗流的数值研究奠定了模型基础。