降雨入渗下的三维正交裂隙网络饱和-非饱和渗流实验研究

在单裂隙饱和-非饱和渗流实验成果的基础上,建立了有降雨入渗下的三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型,并相应开展了三维正交裂隙网络饱和-非饱和渗流实验研究,分别从渗流时自由水面及降雨下非饱和区渗透荷载分布规律两方面进行了实验验证分析。通过理论计算与实验结果比较,证明单裂隙饱和-非饱和渗流实验关系式是合理可行的,由此所建立的三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型具有较好的实验基础。     

岩石试样的加载卸载过程及杨氏模量

利用伺服试验机对岩样进行常规三轴的加载、卸载试验 ,研究岩样变形特性与应力状态的关系。岩石内部存在裂隙 ,加载过程中裂隙会闭合、滑移 ,逐步产生摩擦力 ,其最大值受到轴向应力和围压的显著影响 ,但具体数值、是否达到最大摩擦力由局部应力状态决定。卸载时摩擦力的作用方向会发生改变 ,并抑制裂隙面之间滑移变形的恢复 ,使岩样内部产生残余变形。围压对杨氏模量的影响与岩石内部的损伤状态有关 ,但岩石的损伤特征不能从岩样轴向压缩的加载或卸载杨氏模量直接反映。     

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

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.     

辉绿岩裂隙注浆体力学特性试验研究

为了分析裂隙几何形态对注浆后岩体力学特性的削弱影响规律,通过切割辉绿岩预制不同的裂隙倾角、裂隙贯通程度和裂隙条数,设计裂隙岩样简易注浆模具并进行室内注浆试验,开展辉绿岩原岩及其裂隙注浆体的单轴、常规三轴压缩试验,较全面地分析不同裂隙几何形态下辉绿岩裂隙注浆体的应力–应变关系及力学特性。主要结论有:(1)裂隙中充填水泥浆体以及围压作用明显改变了岩样的应力–应变关系,由原岩典型弹脆性转变为弹性–一定范围内塑性–脆性或理想弹塑性,除发生沿裂隙面滑移破坏情况外,均显著提高了峰后区延性;(2)裂隙显著地降低了岩样的力学性质,呈现出明显的各向异性,在低围压、全贯通、裂隙倾角60°时力学性质最差,处于最不利状态,为岩体隧道工程中选线定向、强度参数选取提供理论参考依据;(3)全贯通条件下岩样破坏以岩块沿裂隙面发生较大剪切滑移变形为主、岩块沿纵–斜向的张拉–剪切裂纹为辅,半贯通条件下岩样破坏首先源于裂纹尖端起裂,然后裂纹追踪最大主应力的方向而导致贯通或裂纹追踪剪切面达到其抗剪强度而剪切破坏。为相应的裂隙岩体(岩石)力学工程设计与施工提供指导,具有一定的理论价值与工程实际意义。     

围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究

通过试验研究了围压升降过程中砂岩和单裂隙花岗岩岩样渗透率的变化特性。试验结果表明，在围压升降过程中，砂岩和单裂隙花岗岩的渗透率均随有效应力的增加呈负指数规律减小，但单裂隙花岗岩的渗透率对有效应力的敏感程度远大于砂岩，而砂岩渗透率的恢复程度则远大于单裂隙花岗岩。在围压下降过程中，砂岩和单裂隙花岗岩渗透率的恢复均存在明显的应力滞后效应。     

不同热处理温度下红层泥岩的失重–膨胀机制研究

为了研究川东上沙溪庙组红层泥岩在不同热处理温度下的质量、裂隙、孔隙、微观结构及膨胀性能的变化规律，开展不同温度热处理实验，采用场发射电子显微镜、N₂吸附孔隙测定及数字化放射影像实验(DR)，对热处理岩样的微观结构差异性、细观孔隙特征及宏观裂隙发育规律进行研究，获取岩样烘干过程的质量变化与膨胀规律，以揭示热处理对泥岩膨胀机制的影响。结果表明：(1)随着热处理温度的升高，岩样质量损失呈现快速失水–缓慢失水及缓慢失水2种模式，上沙溪庙组红层泥岩中水分完全排出需要>130℃的热处理温度；(2)高温热处理出现黏土矿物层间张开及沿层断裂的现象，而低温热处理多为层内断裂，热处理温度对热处理后宏观裂隙的贡献度低于原生裂隙；(3)随着热处理温度的降低，孔隙内0.5～2 nm的细小颗粒明显增多，在110℃时该颗粒物数量达到峰值。热处理温度对微观孔隙尺寸影响明显，与天然状态的孔隙单峰分布相比，高温热处理后孔隙分布呈现双峰的规律；(4)低温处理下呈现出宏观裂隙控制型，而高温处理下呈现出宏观裂隙‐微观孔隙控制型的膨胀模式，且提高热处理温度可显著提高快速膨胀阶段的曲线斜率及最终膨胀量。...     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

岩石试样的杨氏模量与围压的关系

岩石种类繁多、变形历史复杂，围压对杨氏模量的影响规律尚缺乏明确的结论。由于岩样轴向压缩的应力-应变曲线并非直线，杨氏模量的数值依赖于确定方法。与割线模量相比，平均模量是应力-应变曲线中近似直线部分的斜率，受试验条件的影响较小。表示了应力与应变之间的变化关系。利用伺服试验机和文献上的试验结果得到了不同岩石的平均模量与围压的关系，宏观均匀致密的岩样或仅含有局部缺陷的岩样，杨氏模量与围压无关，从风化岩石和软弱岩石钻孔取芯得到的岩样，通常含有分布的裂隙，增大围压可以增大隙裂面之间的摩擦力，抑制剪切滑移的产生，从而提高杨氏模量，杨氏模量随围压的变化体现了岩样内部的损伤状态。     

高温对玄武质凝灰岩力学性能的影响及其机理分析

研究选取四川得荣县的玄武质凝灰岩为研究对象,按照固定围压200 MPa,实验温度为200℃～800℃开展高温高压实验,取得7个样品的实验数据。通过对实验数据的分析可知,在围压一定,实验温度不断升高的条件下,岩样的弹性模量和屈服强度都不断降低,当实验温度达到700℃,岩样变形主要以流变为主。实验温度400℃是岩样力学性质发生显著变化的临界温度。通过对实验后样品的成份分析可知,当实验温度超过400℃后,岩样中的黏土矿物含量随着温度的升高而降低,而斜长石和方解石的含量在不断升高,当温度超过500℃以后,岩样中出现了新的矿物——橄榄石;岩样的电镜扫描结果显示,在400℃之前,岩样内基本没有明显的微裂隙,但是当温度达到700℃和800℃时,岩样内出现明显的部分熔融现象,温度越高,部分熔融现象越明显,而且在800℃时,出现明显的矿物重结晶现象。微观的结构及成份的变化导致了宏观的物理力学性能的显著变化。本次实验研究结论与前人研究成果较为一致,但是从物质成份和样品微结构方面对岩石力学性能对高温响应的机理进行了初步解释。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

岩石渗透率与温度关系的理论分析和试验研究

在高温作用下岩石内部物理化学特性和结构特性将发生变化,这将导致裂隙延伸、矿物脱水及汽化,改变了岩石孔隙率,从而使得岩石的渗透率发生明显的变化。基于热弹性理论,结合室内试验测试结果,导出岩石渗透率和温度之间存在正指数关系,并从理论上验证了温度门槛值的存在。理论分析和试验研究均表明:在温度开始升高时,渗透率增加缓慢,当升高到某一温度之后,渗透率升高的速度迅速增大,其温度对应的值为门槛值。经过门槛温度之后岩石的渗透率随温度升高而迅速增加。岩石渗透率–温度关系的研究为研究高温下的多场耦合问题提供理论基础,同时为石油热开采提高渗透率和核废料地下安全性处理提供了技术支持。     

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。     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

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。     

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。     

混凝土衬砌高压水道的设计准则与岩体高压渗透试验

 钢筋混凝土衬砌地下高压水道设计中,最主要的问题是防止高压水外渗造成的水量损失和对山体边坡、电站建筑物等潜在的危害,其核心是要对地形地质条件、最小主应力和高压水作用下围岩渗透性、围岩水力稳定性等进行充分的研究。对钢筋混凝土衬砌高压水道设计中的最小覆盖厚度准则、水力劈裂准则、最小主应力准则,以及各个准则之间的关系和运用条件进行讨论。结合天荒坪抽水蓄能电站的研究和实践,重点介绍围岩高压渗透试验的具体实施方法,并对试验成果进行分析,同时给出由节理构造等引起的局部地应力偏低问题的工程处理措施。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。