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结构面剪切渗流试验及其模型研究

【摘要】:在水利水电工程、交通工程、石油工程、采矿工程、核废料地质处置等工程中,经常会接触到力学性质和渗透性质复杂的裂隙岩体。裂隙岩体包含由矿物胶结的岩块和大量的节理、裂隙、断层等结构面,结构面往往对上述工程岩体的稳定性和渗透特性起控制性作用。因此对结构面的力学特性和渗流特性进行研究是确保岩体工程长期安全与有效运行的需要。为了系统的研究结构面的剪切渗流特性,本文以无充填粗糙结构面为研究对象,采用室内试验,理论分析,数值模拟相结合的方法,主要开展了结构面三维形貌扫描试验、结构面直剪试验、结构面剪切渗流试验,推导了考虑节理剪切变形的非线性渗流模型,开展了不同剪切错动条件下节理渗流的数值模拟,主要研究内容与成果如下:(1)运用节理三维形貌测量仪对五种不同类型岩石节理表面形貌进行了测量,采用节理粗糙度系数曲线法和三维形貌表征法研究了节理粗糙度各向异性特征。结果显示,三维形貌表征法能够较好描述节理面粗糙度的各向异性,但是节理粗糙度系数曲线法在表征相隔180°方向的粗糙度各向异性方面存在不足,且五种节理试样三维粗糙度参数θmax*((C+1)的各向异性变化规律极坐标图都呈椭球形。通过对五种岩石节理粗糙度各向异性程度分析发现,天然岩石节理试样比劈裂岩石节理试样的各向异性度要大,并且节理各向异性程度的大小与粗糙度的大小没有直接的关系。对JRC和三维形貌参数θmax*/(C + 1)回归分析发现,它们近似呈现正相关的关系,且幂函数方程能够很好的反映JRC和三维形貌参数之间的关系。(2)在0.325-8.0MPa法向应力条件下开展了 20组人工劈裂节理试样的直剪试验,研究了节理三维形貌特征与峰值抗剪强度的关系。结果表明,节理的剪切抵抗主要是来自于节理的剪胀效应和凸起体的剪切破坏,节理的剪切强度不仅与法向应力有关还受三维形貌特征的影响。通过研究节理三维粗糙度和峰值抗剪强度之间的关系,构建了新的基于三维形貌特征的峰值抗剪强度模型。引用Grasselli and Egger(2002)的30组试验数据对新模型进行了验证,并与Grasselli模型及建立在此基础之上的Xia et al.(2014)模型进行了比优分析。分析结果表明,新模型能很好的预测节理峰值抗剪强度。(3)研究了剪切渗流盒的封水技术,在0.5-3.0MPa法向应力条件下对6组花岗岩节理试样进行了剪切渗流试验。研究了剪切过程中,不同水力梯度条件下节理渗流的非线性特征。研究结果显示,节理的水力梯度与流量之间的关系为非线性关系,采用线性达西定律来描述节理的渗透特性往往容易高估岩石节理的导水率。Forchheimer方程能够很好的描述节理渗流的非线性关系,其线性系数a和非线性系数b对节理的剪切变形非常敏感,尤其是在剪切位移在0-4mm范围内的时候。在剪切位移从0mm增加到10mm的过程中,系数a和b分别减小了 1-2和1-3个量级。临界雷诺数表现为剪切位移的函数,随着剪切位移的增加,节理开度变大,节理壁面粗糙度对水流的影响变小,临界雷诺数有增加的趋势,其总体变化范围在1.5到13.0之间。(4)以Forchheimer方程为基础,通过考虑节理粗糙度特征和力学开度对节理非线性渗流特性的影响,建立了考虑剪切变形的非线性渗流模型。其中,节理的力学开度可以根据剪胀曲线进行确定,剪胀曲线可以分为初始剪缩、峰值前剪胀和峰后软化三个阶段。根据剪切曲线的物理意义,提出了与节理的物理性质,法向应力和节理粗糙度密切相关的剪胀曲线的分析表达式。采用花岗岩和大理岩剪切渗流试验数据对该模型进行了验证,结果表明本文提出的非线性渗流模型可以较好的描述节理剪切过程中的非线性渗流特性。(5)构建了不同剪切位移条件下节理渗流的几何模型,进行了不同雷诺数条件下节理渗流的数值模拟。不同剪切状态节理渗流数值模拟结果显示,随着节理剪切位移的增加,节理开度分布的方差增加(不均匀性增加),导致节理的渗流路径越来越曲折,节理出现优势流和沟槽流效应。对不同剪切状态节理渗流结果的分析表明,在节理开度分布较均匀的情况下,节理渗流非线性的原因主要是由流速增大导致惯性力损失增加引起。在节理内部流速较低的情况下,节理渗流非线性的主要原因是因为渗流路径的曲折导致惯性力损失增加引起。

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