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。     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。     

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。     

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。     

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。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

考虑裂隙面粗糙度和开度分形维数的岩石裂隙渗流特性研究

岩石裂隙的粗糙度表征及其渗流特征的描述一直是岩石力学和工程地质领域的难点和热点问题。基于分形理论和流体力学基本原理,首先量化裂隙面的不规则粗糙元素,建立相对粗糙度与分形维数以及裂隙微观结构参数之间的定量关系。然后将粗糙度对渗流的影响转化为裂隙等效开度对流动特性的影响,结合裂隙开度与裂隙长度之间遵循的幂律关系,建立粗糙裂隙的渗透率计算模型。最后研究分形维数和裂隙的几何特征对渗流特性的影响,并使用相关试验数据验证模型的合理性。研究结果表明：裂隙粗糙度对渗流的影响不可忽视,渗透率与裂隙最大开度之间呈平方关系,裂隙开度和粗糙元素几何特征是影响渗流性能的关键因素。建立的渗透率模型不含任何经验常数,避免数据处理的繁琐过程,具有良好的适用性。     

岩体节理粗糙度系数与统计参数的相关关系研究

 测定节理粗糙度系数JRC的方法均基于10条标准剖面,其人为误差大,且未考虑采用不同取样长度离散节理剖面对各统计参数与JRC的影响。为避免对10条标准剖面JRC的测量误差,考虑JRC的取值范围及离散节理剖面时不同取样长度的影响,从数值模拟粗糙节理的角度出发,采用截断正态分布随机抽样得出节理凸起高度,由每段的凸起高度及取样长度形成凸起表面,叠加生成具有一定迹长的粗糙节理,根据Barton直边法测量其JRC,计算相应的统计参数,研究不同取样长度下各统计参数与JRC的回归关系。研究结果表明：JRC与均方根RMS和中线均值CLA呈线性关系,JRC与均方值MSV,均方根一阶导数Z2,粗糙剖面系数Rp和结构函数SF之间呈抛物线关系,且相关系数均较高;取样长度对统计参数、JRC及其回归关系式有较大影响,在数值模拟粗糙节理时应使取样长度与岩体粒径相近。由于MSV,RMS和CLA只能反映节理起伏高度的均值状况,不能反映各凸起高度所占权重对JRC的影响,因此,建议采用Z2,SF对JRC进行估算。     

节理在不同接触状态下的渗流特性

 将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩,采用劈裂法制成张拉性人工节理试件,用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌,并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件,分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数,以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位,以改变其接触状态,然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较,发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析,发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响,得到更为合理的节理渗流经验公式,该公式具有更广阔的应用前景。     

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。     

弹性纵波入射粗糙节理面透射性能研究

 针对应力波穿过节理面产生的衰减现象,研究节理面的几何形状、法向刚度对应力波的透射性影响。根据节理面几何特性设计6种模拟节理面粗糙程度的节理模型,用UDEC软件模拟一维弹性纵波的入射问题。计算结果表明,节理面的粗糙程度、法向刚度对弹性波的透射系数影响很大,节理面越粗糙,法向刚度越小,弹性波衰减程度越大,弹性波的波速降低越快。     

新的岩石节理粗糙度指标研究

首先,基于节理轮廓线提出一个剪切粗糙度指标(SRI),新指标由3个粗糙度参数构成,描述节理平均起伏度、起伏的方向性、起伏分布特点以及粗糙的分形特性,并建立新指标与JRC之间的拟合关系。其次,基于三角形面积单元离散的三维节理面,将剪切粗糙度指标推广到三维形式,从而使得新指标能够描述节理的三维形貌特征。最后,以张拉型花岗岩节理作为算例,计算结果表明新指标能较好地反映节理的各向异性粗糙特性。新指标物理意义明确,计算方便,能够表征节理的主要粗糙特性,为进一步研究岩石节理的剪切力学特性奠定基础,具有重要的理论意义。     

岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法

岩体结构面粗糙度系数JRC影响着岩体的变形、破坏以及渗流特性,其数据采集与评价取值问题一直是岩石力学领域的热点和难点。目前研究方法多集中于二维,无法体现JRC的三维特性;即使现有的三维评价方法,也多数仅从几何数据单方面入手,没有考虑JRC的各向异性。鉴于此,提出基于光亮面积百分比BAP的岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法。首先,运用三维激光扫描技术,建立岩体结构面三维数字模型;其次,通过模拟虚拟光源,在岩体结构面表面产生光亮与阴影,并生成图片;然后,基于图像分割技术,设置灰度阈值,提取大于灰度阈值的光亮部分面积,并计算岩体结构面的光亮面积百分比;最后,结合R. Tse和D. M. Cruden提出的JRC计算公式,考虑剪切或渗流方向,得出岩体结构面三维粗糙度系数估算公式。以鱼简河水库工程为例,实验结果表明：(1) 在光源照射角度相等的情况下,光亮面积百分比与岩体结构面三维粗糙度系数成正比关系。(2) 通过对比分析,光源照射角度过大(70°～85°)或过小(5°～35°)时,易产生误差,入射角介于35°～70°范围内时为最佳入射角。(3) 基于该工程数据推导出JRC3D与BAP之间的估算公式。通过验证,试样Y10,Y11,Y12根据R. Tse和D. M. Cruden公式所得到的JRC3D分别为16.47,16.81,16.69,根据新估算公式计算的JRC3D分别为17.20,17.40,17.17,具有较好的一致性。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究 与数值分析

 基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究。考虑节理面上的接触领域的非透水性,用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律,以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。     

带承台高喷插芯组合单桩荷载传递特性试验研究

 高喷插芯组合桩(JPP)是由高压旋喷桩和预应力混凝土芯桩构成的一种新型组合桩。为了对带承台单桩荷载传递特性有更深入的认识,以自行开发的大型桩基试验模型槽为依托,对带承台单桩进行静载试验。通过埋设在JPP中的监测仪器和承台下传感器得到如下荷载传递特性：与不带承台JPP单桩相比,带承台单桩承载力显著提高,承台可以承担较大比例的荷载;桩土应力比为20～100,且桩顶处桩土应力比基本维持在22左右,为承台与桩截面面积比的2倍;承台的存在限制了桩土相对位移,摩阻力不易发挥;承台对桩侧摩阻力有“削弱”作用,特别是对上部摩阻力,对桩端阻力有“增强”作用,并且与不带承台单桩相比,达到极限摩阻力所需位移增大。这些成果对JPP与承台共同作用特性研究具有一定的意义。     

考虑曲折效应的粗糙节理渗流计算新公式研究

 粗糙节理的隙宽分布不均匀是引起节理渗流出现曲折现象的主要原因。针对节理试件B01和B02,在获得节理的三维表面形貌并计算节理的三维空腔组合形貌后,分别进行室内渗流试验和Reynolds方程下的节理渗流数值模拟,得到节理中的曲折流径分布,在此基础上根据节理三维空腔组合形貌定义定量描述节理渗流曲折效应的平均曲折因子。在考虑节理表面粗糙性的立方定理修正经验公式的基础上,采用分析岩石渗透系数的等效沟槽模型对粗糙节理的渗流进行分析,推导得到考虑曲折效应的节理渗流计算公式,并根据节理试件B01的数值计算结果确定渗流计算公式中的待定常数。然后采用节理试件B02的数值计算结果对渗流计算公式的准确性进行验证,计算结果表明考虑节理渗流曲折效应的渗流计算公式可以较好地反映节理中的渗流情况。在此基础上,将根据本文渗流计算公式得到的节理试件渗流结果与渗流试验实测值及速宝玉经验公式计算结果进行比较,结果表明：考虑曲折效应的节理渗流计算公式渗流结果与实测值一致,而速宝玉经验公式过高地估计了节理的渗流量,进一步验证了节理渗流计算公式的准确性。     

非线性法向变形节理对弹性纵波传播的影响

从波的弹性位移出发，推导线性位移不连续模型，然后引入等效位移假设，建立节理非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，获得垂直入射纵波在非线性法向变形节理处传播的透射和反射系数的解析解。利用该解析解，研究节理初始刚度、节理闭合量与允许闭合量的比率以及入射波频率对节理透反射系数的影响，并与已有的数值计算结果进行比较，两者吻合很好。     

二维波穿过非线性节理面的透射性能研究

二维波穿过非线性节理面是一个复杂的问题,量纲一的刚度、射线角、径向距离、节理参数、入射波频率等都是影响节理后透射率的重要因素。采用非线性节理本构研究单条垂直节理下二维波的透射性能,结果发现:二维波穿越垂直节理面的透射率,不仅与节理面法向刚度与切向刚度有关,还直接受节理面黏聚力和内摩擦角的控制;节理面黏聚力和内摩擦角的数值反映节理面的闭合程度,从而使透射率呈现不同的变化规律。内摩擦角不变,黏聚力提高可以提高透射率;黏聚力不变,节理面内摩擦角引起透射率变化有两种形式:低黏聚力下内摩擦角的升高可使透射率增大;高黏聚力下透射率反而从一较高水平下降到较低水平。最后,根据单节理作用下透射率的研究成果对多条节理分布下的透射性能进行对比研究,对复杂节理分布下的动力响应计算进行尝试。