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。     

剪切过程中岩石裂隙的渗流与 应力–应变耦合分析

 首先，考虑不同法向应力，建立岩石裂隙剪切应力和剪切变形的关系，其中对裂隙的弹性矩阵进行修正，并用三段函数关系分别描述岩石裂隙剪应力与剪切变形的3个阶段：剪缩阶段，剪胀至峰值阶段以及残余抗剪强度阶段。然后，结合三阶段裂隙剪切变形与其开度的关系，应用复合单元法，建立剪切过程中岩石裂隙渗流与应力–应变的耦合机制，研究裂隙的剪切变形、开度、导水系数、渗流场和应力场的变化与相互关系。算例分析表明：当裂隙中“充填介质”的力学参数保持不变时，通过裂隙的流速也基本保持不变，不随剪切变形以及法向应力的变化而改变，但由于裂隙开度的变化，故通过裂隙的单宽流量也随之改变；法向应力越小，裂隙的剪胀效应越大，且岩石裂隙的剪切变形对通过裂隙的单宽流量的影响也越大。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

岩石裂隙渗流与法向应力耦合的复合单元模型

首先,基于复合单元原理,建立渗流与法向应力耦合分析的复合单元模型,该模型前处理简便快捷,可含有一组或几组有明确定位的裂隙面,且可考虑裂隙面与相邻岩块的流量交换;然后,采用两场交叉迭代算法,对岩石裂隙的渗流场与应力场进行耦合分析。模型中视岩石裂隙为虚拟的＂充填介质＂,采用＂充填模型＂将有充填和无充填的岩石裂隙统一处理,并进行裂隙面开度与其法向有效应力关系的推导。依据的耦合机制为：法向应力的作用导致裂隙面开度的变化,从而引起裂隙面导水系数的改变,以至渗流场的改变,从而反过来影响应力场。算例分析表明法向应力作用会引起裂隙岩体的渗透不均匀性：局部区域的渗透坡降、扬压力和渗透流速显著增大。研究结果表明在裂隙岩体中进行渗流与应力耦合分析的重要性。     

恒定法向刚度条件下三维粗糙裂隙面剪切力学特性EI北大核心CSCD

通过恒定法向刚度边界条件下真实三维粗糙裂隙面剪切试验,研究初始法向应力(0.02~8 MPa)和粗糙度系数JRC(12~18)对裂隙面剪切应力、法向位移、法向应力和表面剪切磨损特征的影响。结果表明:整个剪切过程中,裂隙面法向位移–法向应力拟合关系为一组平行直线,法向边界刚度保持在10.8 GPa/m。随着初始法向应力和粗糙度系数的增加,裂隙面法向应力均逐渐增大,初始剪应力峰值分别增加了6.201~9.974倍和22.70%~55.76%;裂隙面法向位移随初始法向应力的增加逐渐减小,而随JRC的增加,由于剪切过程中沿凸起体的"爬坡效应"趋于显著,剪胀变形逐渐加剧。峰值表面阻力指数随初始法向应力的增加线性减小,而随JRC的变化增加了10.82%~36.46%。随着粗糙度系数的增加,初始剪应力峰值强度包络线变得陡峭;剪切磨损阶段,法向应力–剪切应力路径可通过线性函数较好地拟合,且随着初始法向应力的增加,拟合曲线趋于平缓。二值化计算结果表明试验后裂隙面剪切面积占比随初始法向应力和粗糙度系数分别增加了1.032~1.799倍和8.63%~71.81%,剪切磨损特征趋于显著。     

含密实原岩充填物的宜昌砂岩裂隙渗流试验研究

 鉴于有无填充物条件下岩体裂隙渗流规律巨大差异,以及工程岩体中大量渗流裂隙为原岩破碎物填充的剪切滑移裂隙,研究加载路径、轴压、围压、裂隙深度、原岩充填物粒径等因素对渗流量的影响对岩质边坡渗流参数的选取及稳定性判别。针对带人工切割裂纹的宜昌地区砂岩裂隙渗流开展试验研究,得到如下结论：(1) 填充砂粒在没有冲紧密实之前,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响,其渗流量测量数据是没有可重复性的。经过4次以上围压轴压加卸循环后,渗流数据趋于稳定,具有可重复性。(2) 裂隙深度小于2.5 cm时,含密实充填物的裂隙渗流量与轴压的关系大致呈线性;裂隙深度达到2.5 cm后,两者为非线性关系,这主要是裂隙深度增大导致砂粒位置和结构的改变可能性增大造成。(3) 对有充填裂隙岩体,围压影响显著,而对开度较大的无充填的裂隙,围压对渗流量的影响极小,这是因为围压造成的岩体形变量对于开度较大的裂隙过水断面而言量级过小造成。(4) 轴压小于0.03 MPa或围压小于1 MPa时,填充物粒度对渗流量影响呈无序性;轴压大于0.03 MPa且围压大于1 MPa时,砂粒度越大,对应的渗流量就越大,此时,轴压越大,填充物粒度对渗流量的影响越显著,随着围压的增长,3种不同粒度对应的流量保持的大小关系和相互比例趋于稳定。     

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。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

坝基硬岩蠕变特性试验及其蠕变全过程中的渗流规律

 采用先进的岩石全自动流变伺服仪,对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行渗透水压力作用下的三轴流变力学试验。基于试验结果,研究变质火山角砾岩在不同围压下的蠕变特性,并分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。研究结果表明,当所施加应力水平小于岩石破裂应力水平时,变质火山角砾岩轴向蠕变变形不明显,且主要表现为稳态蠕变;当施加应力水平大于或小于但接近岩石破裂应力水平时,出现明显蠕变变形,蠕变速率开始增加,且发生加速蠕变破裂,表现出较为明显的加速蠕变特性。变质火山角砾岩环向蠕变变形量明显大于轴向蠕变变形量,表现出明显体积扩容现象。变质火山角砾岩稳态蠕变阶段的渗流速率随时间变化不大,但加速蠕变阶段的渗流速率明显增大,围压2 MPa下变质火山角砾岩的渗流加速度大于围压6 MPa下的渗流加速度。试验结果旨在为岩石流变本构模型及参数辨识提供可靠的试验依据。     

温变条件下石灰岩裂隙渗透特性实验研究

 在中等温度(25 ℃～90 ℃)和渗透压的条件下,裂隙渗透性对矿物质的溶解表现的很敏感。因此重点通过4个温度平台阶段(25 ℃,50 ℃,70 ℃,90 ℃),以温变对流量和等效水力开度的调节过程来反映温度对石灰岩裂隙渗透特性演化规律的影响。测量反应过程中岩样的渗透流量和渗出液的离子浓度,并将测量的渗流量经过经典的立方定律变换得到裂隙开度随时间的变化情况。实验结果表明：升温过程中流量和等效水力开度表现出明显增大的趋势,恒温过程中等效水力开度逐渐变小并趋于稳定;在不变的有效应力下,经历渗透压增大后,随着温度的升高,裂隙开度总体呈下降趋势。通过分析渗流量、等效水力开度和矿物离子浓度随时间变化的过程,以及它们之间的内部关系,得出温度升高能促进应力作用和渗流作用,渗流通道的局部溶解作用也随着温度的变化而改变,从而影响压力溶解和自由溶解的进程。     

Time-dependent closure of a fracture with rough surfaces under constant normal stress

Time-dependent closure of a fracture with rough surfaces subjected to stepwise normal stress was considered theoretically by viscoelastic modeling of rock. A formula for the relationship between constant normal stress and time-dependent closure as a function of time was derived based on the aperture distributions of a fracture and the relaxation modulus Y_E′(t) of rock. Theoretical consideration showed that the ultimate closure of a fracture under constant normal stress can be estimated from the normal stress–elastic closure curve by using the values of the relaxation modulus at t=0 and ∞, and that the ultimate time-dependent closure is independent of the normal stress if the elastic closure is linear with the logarithm of the normal stress. Experiments and a Monte Carlo simulation on time-dependent closure under constant normal stress were conducted for a hydraulic fracture created in granite in the laboratory to provide the verification of the theory. The results obtained in the experiments showed that the ultimate time-dependent closure of a hydraulic fracture was almost independent of the normal stress when the elastic closure was linear with the logarithm of the normal stress. A Monte Carlo simulation on time-dependent closure of a fracture under constant normal stress showed that time-dependent closure of a fracture for which the elastic closure is linear with the logarithm of the normal stress does not depend on the normal stress because the increase in contact area during time-dependent closure increases with the normal stress.     

二维应力作用下岩石单裂隙渗流规律的实验研究

在对人工充填砂裂进行剪切实验的基础上，分析了剪应力和法向有效应力作用下裂隙岩石的渗流特性，并提出了二维应力作用下裂隙岩石渗流模型，即剪应力和法向有效应力耦合作用下的渗流公式。     

岩石节理剪切过程中应力与渗流特性的数值模拟

 岩石节理剪切过程中应力与渗流特性受节理法向条件的影响很大。在岩石节理表面形状三维数值化表达的基础上,首先建立岩石节理剪切过程中力学与渗流的计算模型;接着,应用GIS技术,模拟分析不同法向条件(固定应力、固定刚度)下节理的剪切过程,获得节理剪切过程中应力与渗流特性的变化规律。结果表明,法向应力、裂隙张开度、渗透系数均随着剪切位移的增加而逐渐增加,整个剪切过程渗透系数增加了两个量级左右;而剪应力的变化却受法向条件的影响,剪应力在出现峰值后快速下降,而后固定应力条件下剪应力很快趋于一个稳定的值,而固定刚度条件下剪应力却又缓慢上升。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

复合温度条件下石灰岩多场耦合裂隙渗透侵蚀试验研究

深部岩石工程处在高应力、高水压力、高地热等复杂地质环境中,这些因素相互作用将对岩石的渗透特性产生重要影响,进而影响深部岩石工程的安全和生产效率。通过开展不同温度(25℃~90℃)条件下的同一块石灰岩裂隙多场耦合渗透特性变化试验,得到了温度因素对石灰岩裂隙渗透特性的影响规律。试验结果表明:在恒定有效压力作用下,升温阶段的初始时刻有一个流量峰值过程,温度恒定时,流量缓慢减小并最终趋于稳定状态;温度升高使得岩石裂隙渗透率单调下降,裂隙开度进一步减小;此外,温度越高,初始阶段裂隙开度闭合速度快,趋于稳定开度值历时越短且最终稳定开度值越小。石灰岩的侵蚀溶解速度随温度的升高而加快,裂隙面溶解出的矿物质增多,因此,渗出液中各离子的浓度随温度的升高变大。