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。     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。     

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EI北大核心CSCD

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。     

单裂隙面渗流与应力的耦合特性

较系统地介绍了现有有关单裂隙面渗流与应力耦合特性方面的研究成果，对各类成果的先进性、合理性及应用情况进行了较为深入的评述，在总结现有研究成果的基础上，归纳出3种研究思路，可供参考．最后还指出了单裂隙面渗流与应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

裂隙岩石非饱和渗流模型研究

由于岩石裂隙的分布遵循分形分布,在研究裂隙岩石非饱和渗流时,本文基于毛细吸持理论和分形理论,建立了分形维数与有效饱和度,水力传导系数间的关系,该模型为裂隙岩石非饱和渗流分形模型。探讨了分形维数与裂隙渗透率以及孔隙度的关系,本模型包含了Brook-Corey模型,当裂隙开度范围较大时,本模型与Brook-Corey模型一致。当裂隙开度范围不大时,本模型可以很好地描述有效饱和度、水力传导系数,因此,能比较好地描述岩石裂隙非饱和渗流特征,而此时Brook-Corey模型描述岩石裂隙非饱和渗流具有较大的误差。     

地应力对裂隙岩体渗流特性影响的研究

岩体总是赋存于一定的渗流场与应力场中的，研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。首先分析了裂隙岩体渗流运动的基本规律，研究了应力对渗流作用影响的机理。在此基础上，结合甘肃某工程进行了现场地应力测量及高压压水试验，并且作了大量地表的、钻井岩芯的节理裂隙地质调查，得到了该地区的地应力值和渗透系数值。然后通过回归分析，可以发现该地区渗透系数随地应力值的增大呈负指数递减的变化规律。     

岩石单裂隙稳态渗流研究进展

 从3个方面介绍目前单裂隙渗流研究的最新成果：(1) 单裂隙内的流体运动规律,主要研究裂隙渗流模型和流速分布规律等;(2) 裂隙过流能力的影响因素,包括应力、隙宽、粗糙度、充填物以及多场耦合等;(3) 单裂隙渗流的数值模拟方法,包括裂隙的数值生成方法和模拟技术。系统总结和分析目前最新的研究成果,对渗流研究理论和方法中存在的问题进行深入探讨：裂隙内渗流的流动规律复杂,裂隙渗流模型和机制仍有很多不明之处;剪应力影响是目前裂隙渗流研究的热点,三维应力和拉应力对裂隙渗流的影响也是未来研究的方向,但模拟复杂应力状态下的渗流试验装置仍是研究的“瓶颈”;评价裂隙面粗糙程度仍是一个复杂的问题;数值模拟裂隙渗流与试验方法相辅相成,正确选择合理的数值方法非常重要。     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。     

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究

裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究速宝玉詹美礼王媛（河海大学水电系，南京，２１００９８）１国内外研究成果概述及问题的提出自人们认识到裂隙在岩体中的重要性以来，作为基础性的单裂隙面渗流、力学及其耦合特性首先成为人们理论和试验研究的重点。在单裂隙面的渗流...     

岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展

 综述国内外关于岩体裂隙渗流特性的研究成果,并进行相应的分析和讨论。分析表明：试验研究在岩体裂隙渗流特性方面具有不可替代的作用;许多研究者根据试验结果提出相应的经验公式,但关于岩石裂隙渗流应力耦合特性研究的计算公式还没有统一的认识。分析结论也为今后的岩体裂隙渗流特性的试验研究提供了有益的方向。     

多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究

用劈裂的方法在砂砾岩块上制造裂隙来模拟天然岩体的张性裂隙,在自行研制渗流-多轴应力耦合试验机上开展了一系列单裂隙渗流应力耦合试验,分别研究了垂直于裂隙面加载、平行于裂隙面加载对裂隙渗透能力的影响规律,对单裂隙岩体在多轴应力作用下的渗流规律作了探讨.成果表明,法向应力和侧向应力对裂隙的渗透系数有着明显的影响,共同决定着渗透系数的变化.     

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制，对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设；在此基础上，考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件，建立盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流–溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流–溶解耦合过程进行试验研究，并应用盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型进行模拟分析与验证，计算结果与试验结果非常吻合，表明所建立的盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流–溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力–渗流–溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。     

考虑软体和硬体开度的岩体单裂隙渗流与法向应力耦合模型研究

岩体裂隙渗流与法向应力耦合机理是裂隙岩体水力耦合分析的重要基础。岩体裂隙法向应力与渗透性曲线呈现出的非线性变化特征随法向应力增加往往有显著差别：低应力条件下裂隙渗透性急剧下降,而高应力条件下裂隙渗透性减少较为缓慢。目前,传统数学模型难以描述低应力和高应力条件下裂隙渗透性变化的差异性。因此,基于双弹簧Hooke模型(two-part Hooke’s model,简称TPHM),将裂隙开度分为硬体开度和软体开度2个部分,分别考虑低应力和高应力条件下软体开度与硬体开度对岩体裂隙变形与渗流特性的影响,建立岩体裂隙渗流与法向应力耦合数学方程。采用3组加载条件下的花岗岩裂隙水力耦合试验数据验证理论模型,结果表明理论模型与实验数据基本一致,且优于负指数模型、幂函数模型以及对数模型,指出了软体和硬体开度定量描述岩体裂隙非线性水力耦合特性的有效性,揭示了低应力状态下软体开度对岩体裂隙渗透性变化的主要控制作用。     

裂隙非饱和渗流试验研究及有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析

就单裂隙非饱和水力参数的试验测定和数值模拟确定、单裂隙非饱和渗流的机理、有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数值分析以及地表入渗对岩坡稳定性的影响等方面展开了较为深入的研究，并将上述研究成果应用于实际大型工程问题的分析中。主要内容如下：（1）借鉴前人的研究成果，基于动力法原理（即逐次建立水相和气相之间的稳定流动状态），首次研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力－饱和度以及非饱和渗透系数－毛细压力关系的实验装置，并提出一种用该实验装置来测定单裂隙非饱和水力参数的物模试验法，使得通过试验来测定单裂隙非饱和水力参数成为可能。（2）运用分形几何和蒙特卡洛模拟等理论，提出一种更合理的确定单裂隙非饱和水力参数的数值试验法，并开发相应的模拟程序。由于该法在生成裂隙充水域时考虑了水和气的“圈闭”效应，故能模拟出裂隙排水与吸水过程间客观存在的滞后现象，这是以往数值试验法所不能做到的。（3）把裂隙岩体等效力连续介质来处理，建立有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流的数学模型。以Galerkin有限元法为模拟手段，研制了相应的算法，并编制了考虑地表入渗的三维饱和非饱和渗流有限元计算程序SUSS3D。算例分析表明，上述模型和计算程序是合理可行的。（4）引入非饱和土的抗剪强度理论，运用刚体极限平衡法，研制出了地表入渗影响下的央坡稳定性验算程序ZSLP。该程序考虑了非饱和带基质吸力对央体抗剪强度的贡献以及暂态附加水荷载的不利作用，使计算结果更贴近实际。（5）将上述研究成果应用于小湾电站水垫塘区岸坡降雨入渗分析，溪洛渡电站水垫塘区岸坡雾化雨入渗分析以及雾化雨入渗对溪洛渡电站水垫塘区岸坡稳定性的影响等实际工程问题的研究。结果表明：地表入渗确会给边坡稳定带来不利的影响，并且本文的模型和计算程序均是合理可行的。     

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

祓岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理，且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞，这使得其力学!特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备，完成了2个锦屏Ⅱ级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验，得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理，从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展，直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程，解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理，推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。