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.     

楔形裂隙水头分布研究

岩体是一种具有节理、裂隙等缺陷的材料体,这些缺陷是岩体渗流的主要通道。通常节理裂隙被认为是一组平行板分布,当原始地应力不变时,岩体的渗流状态保持不变。当岩体由于开挖卸荷或其它原因而导致岩体的应力状态发生变化,这时岩体的节理及裂隙等的隙宽或许将会变成楔形,从而使得岩体裂隙中的水头分布方式与平行板的线性分布不同。因此,在立方定律的基础上,推导了楔形裂隙中水头分布的公式,并与前人的研究结果进行了对比,同时探讨了其对边坡安全系数计算的影响,研究表明,所得公式更为合理。     

岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析

绝大多数岩质边坡的破坏均是由于地下水在裂隙中的渗流而引起,岩体的渗透特性对边坡稳定性的影响是不可忽视的。文章介绍了裂隙岩体渗透系数的确定方法及边坡的稳定性分析方法,并基于3D-FLAC模拟分析,探讨了岩体渗透系数对边坡稳定性的影响等问题,研究表明,随着岩体渗透系数的增大,孔隙水压力增大,有效应力减小,边坡的安全系数降低。     

基于压水试验数据的渗透系数应力敏感性研究

岩体渗透率与应力关系是进行岩体渗流应力耦合分析的基础。基于龙滩水电站边坡岩体渗流压水试验结果和边坡岩体岩性及物理力学性质，对岩体渗透系数和地应力进行了分析计算，给出了边坡岩体渗透率随应力变化的关系式，为进行边坡岩体渗流一应力耦合分析提供了可靠数据。     

等效连续介质模型在某裂隙岩质边坡渗流稳定性分析中的应用

在分析某公路裂隙岩质边坡渗流时,合理选取了渗流分析模型,并综合考虑比较了单孔压水试验和裂隙统计取得的渗透系数,获得了能较好反映原位地质环境的修正渗透张量。利用该方法所获取的渗透参数并采用连续介质模型对该边坡工程分析计算,取得了与实际吻合的结果,并指出了边坡稳定性分析时考虑渗流场影响的必要性。     

类土质边坡开挖的卸荷作用及卸荷带宽度的确定

分析了类土质边坡开挖过程中卸荷裂隙的产生机理,认为工程开挖改变了边坡岩土体的应力状态,使边坡岩土体受到一个指向坡外的侧向附加应力,从而导致了原有裂隙的张开和新裂隙的产生。进行了粉质粘土、粉土及粉砂质泥岩开挖卸荷的离心模型实验,实验结果表明,原有裂隙倾角越大、深度越大、离卸荷面的距离越近,卸荷过程中,裂隙的变形量越大,文中给出了上述因素与裂隙变形量的关系曲线;同时,裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响较为明显,实验得出了岩体卸荷受拉破坏时的变形模量与该夹角的函数关系,分析了裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响。提出了在实际工程中确定卸荷带宽度的方法,并以重庆长江库岸为例证明了该方法的可行性。     

应力对裂隙岩体渗流影响的研究

研究了应力变化对裂隙岩体渗流特征的影响。假设裂隙网络由等效隙宽相等的相互平行的一组裂隙组成，由于应力变化而导致的隙宽变化控制了裂隙岩体渗流的变化，据此得出了裂隙岩体渗透系数及渗流量与应力的关系式。通过裂隙岩体渗流试验，证实了关系式的正确性。利用此关系式及有限元方法计算，得出了裂隙岩体渗透系数随应力的变化值。     

某公路边坡开挖卸荷变形研究

采用传统的加载力学方法和卸荷岩体力学方法,利用数值计算对某公路高边坡开挖后的应力-应变进行了研究.比较两种计算方法算得的边坡位移,并与实际监测数据进行对比分析,验证了卸荷岩体力学方法在岩土体开挖边坡计算分析中的合理性.     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

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。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

裂隙岩体透水率与其完整性指数及BQ值的关系初探

岩体的渗透系数是评价岩体渗透性,进行裂隙岩体渗流模拟的必备参数,在工程实际应用中亦具有重大意义。研究发现:岩体的完整性系数和基本质量指标(BQ值)的算术平均值与裂隙岩体透水率的几何平均值相关性较好,故利用岩体的完整性系数和基本质量指标(BQ值)的算术平均值估算裂隙岩体的渗透系数是可行的。根据金堆城杨家湾尾矿库初期坝的岩体压水试验结果,初步探索了岩体的基本质量指标及岩体完整性指数与其透水率的关系。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

Interactive roles of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks in fluid flow through fractured geological media

In this study,the combined effects of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks on fluid flow through fractured geological media are investigated numerically.We consider a finite-sized model domain in which the geometry of fracture systems follows a power-law length scaling.The geomechanical response of the fractured rock is simulated using a hybrid finitediscrete element model,which can capture the deformation of intact rocks,the interaction of matrix blocks,the displacement of discrete fractures and the propagation of new cracks.Under far-field stress loading,the locally variable stress distribution in the fractured rock leads to a stress-dependent variable aperture field controlled by compression-induced closure and shear-induced dilatancy of rough fractures.The equivalent permeability of the deformed fractured rock is calculated by solving for the fracture-matrix flow considering the cubic relationship between fracture aperture and flow rate at each local fracture segment.We report that the geometrical connectivity of fracture networks plays a critical role in the hydromechanical processes in fractured rocks.A well-connected fracture system under a high stress ratio condition exhibits intense frictional sliding and large fracture dilation/opening,leading to greater rock mass permeability.However,a disconnected fracture network accommodates much less fracture shearing and opening,and has much lower bulk permeability.We further propose an analytical solution for the relationship between the equivalent permeability of fractured rocks and the connectivity metric(i.e.percolation parameter) of fracture networks,which yields an excellent match to the numerical results.We infer that fluid flow through a well-connected system is governed by traversing channels(forming an"in parallel" architecture) and thus equivalent permeability is sensitive to stress loading(due to stress-dependent fracture permeability),whilst fluid flow through a disconnected system is more ruled by matrix(linking isolated clusters"in series") and has much less stress dependency.     

Coupled hydro-mechanical effect of a fractured rock mass under high water pressure

To explore the variation of permeability and deformation behaviors of a fractured rock mass in high water pressure,a high pressure permeability test(HPPT),including measuring sensors of pore water pressure and displacement of the rock mass,was designed according to the hydrogeological condition of Heimifeng pumped storage power station.With the assumption of radial water flow pattern in the rock mass during the HPPT,a theoretical formula was presented to estimate the coefficient of permeability of the rock mass using water pressures in injection and measuring boreholes.The variation in permeability of the rock mass with the injected water pressure was studied according to the suggested formula.By fitting the relationship between the coefficient of permeability and the injected water pressure,a mathematical expression was obtained and used in the numerical simulations.For a better understanding of the relationship between the pore water pressure and the displacement of the rock mass,a 3D numerical method based on a coupled hydro-mechanical theory was employed to simulate the response of the rock mass during the test.By comparison of the calculated and measured data of pore water pressure and displacement,the deformation behaviors of the rock mass were analyzed.It is shown that the variation of displacement in the fractured rock mass is caused by water flow passing through it under high water pressure,and the rock deformation during the test could be calculated by using the coupled hydro-mechanical model.     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义.利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演...