岩石裂隙压剪变形破坏与非线性渗流特性

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义，定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础，但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本研究制作了含单裂隙的花岗岩试样，采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验，得到裂隙渗透率的演化规律；通过高精度三维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据，基于自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序，表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律；提取裂隙开度分布数据，在COMSOL软件中求解Navier-Stocks方程，实施了不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟。定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系，结果表明：试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合，验证了裂隙变形计算程序的可靠性；法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系，且剪切位移增加的会导致裂隙内的接触面更集中；Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性，B和Jc与剪切位移之间呈幂函数递减关系，且随着剪切位移的增大，Jc和B的增加速率和波动范围逐渐降低；当剪切位移从2 mm增加到8 mm时，Jc的波动范围从6.10×10-3减少到1.20×10-3，降低了80.32%；B的波动范围从2.97×1014 Pa·s2·m-7减少到2.43×1013 Pa·s2·m-7，降低了91.28%；裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度Jc之间均存在相似的幂函数关系，据此建立了计算渗流从线性转换为非线性的临界点的预测公式。

Deformation, Failure and Nonlinear Flow Characteristics of a Fracture Subject to Normal Stress and Shear Displacement