单轴压缩条件下单裂隙花岗岩力学特性及破坏特征

为研究含贯通单裂隙花岗岩的力学特性及破坏特征,以我国高放废物地质处置甘肃北山预选区完整花岗岩及含倾角30°、45°和60°贯通裂隙的花岗岩为研究对象,开展单轴压缩试验研究.结果表明:裂隙倾角越大,试样的单轴抗压强度、损伤应力以及弹性模量越低;与完整岩石相比,倾角30°、45°和60°裂隙花岗岩的抗压强度分别下降7.97%、29.17%和71.68%,损伤应力分别下降9.35%、24.26%和69.79%,弹性模量分别下降5.89%、23.32%和60.49%.裂隙倾角不同,试样的应力-应变曲线呈现出显著的差别;裂隙倾角越大,损伤应力至峰值应力之间的屈服阶段越明显,发生沿裂隙面滑移破坏特征越显著;裂隙倾角影响花岗岩的破坏模式,试样的破坏形式主要表现为穿裂隙面破坏(倾角30°)、穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移并存的复合破坏(倾角45°)以及沿裂隙面滑移破坏(倾角60°);倾角60°的裂隙花岗岩的抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差符合幂函数增长关系.

三轴压缩下单裂隙位置对复合岩样力学变形与破坏模式的影响

在地下富存裂隙的层状复合岩体中,复杂围压环境和裂隙分布对复合岩体力学性质和损伤破坏具有显著影响。选取由类灰岩和类砂岩组成的含预制单裂隙的复合岩样作为研究对象,通过常规三轴压缩试验,分析不同裂隙位置和围压条件下岩样的力学变形和破坏模式。结果表明:(1)完整复合岩样的强度受砂岩控制,而变形受灰岩限制。(2)随着围压的增加,复合岩样破坏特征由裂隙位置主导转变为由围压主导;复合岩样的体缩受围压的影响,而体胀受裂隙位置的影响。(3)在单轴压缩条件下,裂隙对岩样力学性质的削弱程度最大;当裂隙位于灰岩中时,损伤应力受围压影响最显著,岩样的强度和弹性模量随着裂隙位置的改变(从灰岩、接触面到砂岩)及围压的增加呈现出增加的趋势。(4)灰岩中的裂隙易产生拉伸裂纹,砂岩中的裂隙易产生剪切裂纹;随着围压的增加,复合岩样由拉伸破坏转变为剪切破坏,破坏模式由围压主导。该研究成果对复合岩体工程的安全加固设计具有一定的指导意义。

浅层地热开采中砂岩单裂隙渗流传热试验研究

浅层地热能的开发利用关系着“双碳”目标的顺利达成,其中目标储层岩石裂隙渗流传热特性的研究对地下水源热泵系统的成效至关重要。但以往的裂隙渗流传热研究多是考虑粗糙面、流速、围压、温度等单一因素对其传热效率的评价,并未系统探究多级流速下浅层地热储层(围压和岩石温度)变化对渗流传热演化规律的认识及其贡献程度的对比。因此,文章基于课题组自主研发的裂隙岩石渗流传热试验系统,开展了多级流速下的砂岩单裂隙渗流传热试验,分析了单裂隙渗流传热在多级流速下的全过程演化特性,探讨了浅层地热中的敏感性参数(围压和岩石温度)对渗流传热的影响规律及其贡献程度。试验结果发现:(1)出口水温和对流换热系数随水流流速的增大,其变化趋势有明显的阶段性转折;(2)围压的增大导致裂隙开度减小,流动边界层变薄,而温度梯度的增大将引起热流密度的上升,都将导致出口水温和对流换热系数呈现上升趋势;(3)岩石温度的贡献程度明显高于围压,特别是从60℃增大至70℃时,对流换热系数有了大幅度增长。

考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元,了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes(N-S)方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作,研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明:Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系;表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性,增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生;可渗透基质会使得裂隙过流能力增强,通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%,这会抑制非达西流动的发生;基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。

水和CO_(2)在真实粗糙岩样单裂隙内对流传热的仿真分析

向高温地质裂缝内注入冷流体进行流动取热是目前地热开发常用的一种方式。增强型地热系统中的流体多在粗糙不规律的岩石裂隙中流动换热。为研究流体的传热量,基于青海共和盆地恰卜恰干热岩储层,通过扫描获得真实的单裂隙三维形貌。采用有限元三维仿真模拟建立真实准确的单裂隙流动传热数值模型。对比分析了注入温度、注入流量、初始岩样温度、裂隙开度和注采压差对水和二氧化碳传热效果的影响。研究结果表明:流体与岩样之间的温差越大,换热效果越好,流体的出口温度越低;流体注入流量、裂隙开度及注采压差越大,换热效果越好,流体的出口温度越低;运行参数对换热效果的影响程度由高到低依次是注入流量、注采压差、注入温度。将注入流量从10mL/min提高至80mL/min,以水作为取热工质的取热量由109W提高至351.2W,注入流量每提高1mL/min传热系数提高140.61W/(m^(2)·K);以二氧化碳作为取热工质的取热量由36.9W提高至126.6W,注入流量每提高1mL/min传热系数提高19.84W/(m^(2)·K),具有较高比热容和热导率的水会携带更多的热量,换热效果更强。

单裂隙岩石-混凝土组合体断裂特征颗粒流模拟

为了研究不同长度及倾角的裂隙对岩石-混凝土组合体强度和破坏模式的影响,基于颗粒流模拟软件(PFC),通过对比预置裂隙试样的室内试验结果,选取最接近室内试验结果的一组数据标定细观参数,由此对含预置裂隙的岩石-混凝土组合体数值模型进行单轴压缩试验。结果表明:单裂隙岩石-混凝土组合体的承载能力和弹性模量随裂隙倾角的增大整体呈增大趋势,建立了不同裂隙长度和裂隙倾角的增量函数;裂隙长度对岩石-混凝土组合体力学特性的影响显著;岩石界面的应力状态和混凝土界面附近的约束效应决定裂纹能否扩展通过界面,根据裂纹的分布情况,分析发现裂纹萌生与扩展的根本原因是应力场的变化和转移,破坏过程中岩石-混凝土组合体的破坏模式由拉伸破坏逐渐转变成宏观剪切破坏,揭示了单裂隙岩石-混凝土组合体单轴压缩的损伤演化规律。

纵向单裂隙分布位置对洞室围岩失稳特征影响试验研究

为研究纵向裂隙分布位置对洞室围岩失稳特征的影响规律,通过无预制裂隙洞室模型及含不同位置预制裂隙洞室模型双轴加载试验,结合数字图像技术(DIC)对比分析了洞室模型宏观力学参数及破坏模式。试验结果表明,随侧压力系数(λ)增大,洞室模型峰值强度和峰值应变呈先增大后减小趋势,在λ=1时达到最大值,弹性模量与之相反,呈先减小后增大趋势;从破坏模式来看,λ<1时,洞室破坏模式主要由张拉破坏逐渐转为拉剪复合破坏,裂隙位于拱顶,底板破坏明显,而裂隙位于直墙和底脚处,拱顶及底脚均破坏严重,随λ增大,λ≥1时,模型破坏以张拉裂纹为主,相比其他两个位置的裂隙,裂隙位于直墙,洞室稳定性最差;在相同λ下,高应变集中区会随裂隙位置改变而发生转移,但高应变区主要集中在预制裂隙端及洞室两底脚处。

不同倾角单裂隙对非均质岩石失稳演化研究

岩体中的裂隙对岩石的力学行为、能量演化和失稳破坏有显著影响。为阐明不同倾角单裂隙对岩石能量演化和失稳破坏机理,基于颗粒流PFC2D方法,建立了不同倾角单裂隙砂质泥岩数值模型,模拟了不同倾角单裂隙下砂质泥岩的单轴压缩试验。研究表明,随着单裂隙倾角变大,砂质泥岩的强度与弹性模量先降低后增大,预制裂纹会影响断裂面的裂纹起始位置,并加速断裂面的形成;声发射事件在岩样破坏前存在小范围沉寂期,该特征可作为岩石破坏的前兆判据;随着裂隙倾角的增大,总能量持续增大,弹性能和耗散能呈现先增加后减小的趋势,倾角30°时,岩石试样冲击倾向性最弱,有利于降低冲击地压危险,倾角为90°时,岩石试样冲击倾向性相对最强,不利于冲击地压的防治。

单裂隙岩体水-力耦合数值分析

随着地下工程的不断发展,诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型,应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现:模型约10 s后达到稳态,节理流体形成从左向右的渗流场,节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关;节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场,节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关;节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场,岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙,形成不同结构形式的裂隙岩体,裂隙的存在会降低岩体的力学性能,对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析,基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响,采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出,岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大;随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势,其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品,结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置,实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验,研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数,其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂,从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型,通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟,验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。

循环荷载对单裂隙岩体疲劳损伤的影响

【目的】揭示单裂隙岩体在循环荷载作用下的疲劳损伤演化规律,研究更便于实际工程应用的损伤变量计算方法。【方法】通过开展基于声波测试的模型岩体疲劳试验研究,分析了不同循环次数比、不同单裂隙角度下试样的波速降低率、初始损伤及损伤变量的变化规律;提出不同角度单裂隙岩体的非线性疲劳累积损伤模型。【结果】随着裂隙角度的增加,模型试样的初始波速降低率及初始损伤呈非线性“S”形增大趋势;在循环荷载作用下单裂隙岩体波速降低率具有明显的三阶段衰减特征,初始衰减阶段、稳定衰减阶段及加速衰减阶段的疲劳寿命比例约为2∶7∶1;在循环次数比相同的情况下,岩体的疲劳累积损伤演化随裂隙角度的增大呈加速趋势,但在加速衰减阶段却呈减速趋势;单裂隙岩体疲劳寿命与裂隙角度的关系曲线呈“V”字形,在循环荷载作用下45°单裂隙岩体损伤变量增长最快,且在加速衰减阶段疲劳寿命占比最小,最易发生拉伸-压剪裂纹混合的“X”形裂纹破坏。【结论】在裂隙角度为30°~90°时,若在岩体疲劳破坏前用名义损伤替代实际总损伤,名义损伤偏大;若在疲劳破坏阶段用名义损伤替代实际总损伤,名义损伤偏小;当失稳比例因子一定时,失稳因子及收敛因子均随裂隙角度的增加呈单调递增趋势。

围压变化作用下基于水力开度变化的单裂隙渗流特性研究

地下水流动及相应的溶质运移受广泛且复杂分布的地应力的影响,因此对不同围压下渗流的相关研究显得尤为必要。本文以基础的本构方程为出发点,对围压作用下的渗流进行定量的分析。基于水力开度的变化和单个结构面闭合变形法则,建立考虑围压下单裂隙的渗流特性,即渗流压力(P_(s))、水力开度(e_(h))、渗透率(k)和围压(P(c))的关系模型。在岩心夹持器中进行大理岩的单裂隙渗流实验,并对试验数据进行回归分析。结果表明,该模型可有效地预测不同流量下的渗流压力、水力开度和渗透率与围压的非线性关系。在单裂隙中定流量条件下,围压与渗流压力正相关,且呈现为过量渗流压力形式的非线性关系。水力开度和渗透率在12 MPa围压内快速下降,围压大于12 MPa后呈趋于稳定的非线性关系。

地下水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度变化规律与预测模型

揭示裂隙岩体纵波速度变化规律对工程岩体质量分级与稳定性评价具有重要意义。以某地下水封洞库无充填型单裂隙花岗岩为研究对象,基于钻孔电视成像、水压致裂法地应力测试与声波全波列测井,获取了384组单裂隙花岗岩的几何特性、受力状态与纵波速度,构建起了预测单裂隙花岗岩纵波速度的进化-神经网络模型,分析了关键指标影响下单裂隙花岗岩纵波速度的变化规律。研究表明:该水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度分布于4300~5330 m/s之间,82.3%的纵波速度在4700~5200 m/s之间;选取裂隙法向应力、平均张开度与倾角作为单裂隙花岗岩纵波速度的预测指标是合理可行的;将现场测试数据分为训练样本与测试样本,基于遗传算法优化神经网络权值、阈值的进化-神经网络模型构建出单裂隙花岗岩纵波速度预测模型,其测试误差最大仅为2.9%,85%的样本测试误差不超过1.5%,预测模型精度较高。分析了纵波速度变化规律,发现单裂隙花岗岩纵波速度随裂隙法向应力增大而增大,但当法向应力增至5 MPa后的纵波速度增大速率逐渐减小,纵波速度随裂隙张开度增大而逐渐减小,纵波速度在裂隙倾角小于40°时无明显变化,此后纵波速度随倾角增大而增大。

不同JRC粗糙单裂隙水力开度3D数值模拟研究

岩石的过水能力主要决定于其中的裂隙,其表面粗糙度的影响不可忽视,单裂隙是一个简单的理论验证装置。为了探究不同结构面粗糙度系数JRC的水力开度e h变化,提出在不同雷诺数条件下e h和JRC的定量关系。研究开展了不同JRC粗糙单裂隙渗流特性3D数值模拟。首先,数值化5条Barton提出的标准轮廓曲线并导入COMSOLMultiphysics软件;然后进行扫掠操作,构建了不同JRC的3D单裂隙模型;进一步,设置不同的边界条件和初始条件,求解3D单裂隙中不可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和连续方程;最后,基于立方定律和求解得到的流场参数,定量不同JRC的3D单裂隙e h。研究结果表明,Forchheimer方程线性系数A和非线性系数B对JRC有着明显的依赖关系,也受到平均开度E的影响;E对于粗糙裂隙中的流体流动影响明显,然而在一定范围内的JRC对流体流动的非线性行为起促进作用;在E相近时,JRC值越大的裂隙模型中,低流速的区域越多;粗糙裂隙中的e_(h)和Re是负指数关系,考虑Re的e_(h)与JRC的定量关系为e_(h)=E_(2)JRC^(-2.5)Re^(-0.21)。研究得到不同Re条件下Re和JRC值的定量关系,促进了区域地质相关的工程设计优化,也可以为工程地质灾害提供理论依据。

边界层对粗糙单裂隙溶质运移影响试验

为探究非费克(non-Fickian)运移表现出的峰值提前到达和拖尾等现象,开展了粗糙单裂隙溶质运移试验,总结了粗糙单裂隙中溶质运移特征及运移机理,结合边界层理论对峰值提前到达和拖尾现象进行了分析和解释。结果表明:峰值时间和拖尾时间与边界层厚度之间存在较好的线性相关关系;边界层对裂隙介质溶质运移有较为显著影响,即水流速度越小,边界层厚度越大,滞留在边界层内部的溶质越多,溶质获取率越低;粗糙单裂隙中溶质穿透曲线的峰值提前和拖尾现象是由裂隙中心处以惯性力主导的主流区和裂隙壁面以黏性力主导的边界层区共同作用造成的,其中峰值时间主要由主流区的对流因素控制,而边界层区域的存在对拖尾时间影响较大。

冻融条件下单裂隙注浆岩石破坏特性试验研究

在冻融循环下,寒区岩体内的节理、裂隙和孔隙等缺陷会影响岩体结构稳定性,甚至使岩体工程发生冻融灾害.研究冻融循环下注浆固结体力学特性和破坏特征对完善岩体注浆加固理论、保障寒区工程安全实施具有重要的指导意义和应用价值.为研究冻融循环下注浆固结体试样的破坏特性,对预制单裂隙类岩石试样进行注浆加固得到注浆固结体试样,开展不同循环次数的冻融试验,对固结体试样进行单轴压缩和数字VIC-3D技术同步观测.结果表明,试样的破坏形式主要分为单斜面剪切破坏和拉伸破坏;在相同冻融循环次数下,随裂隙角度的增加,试样峰值强度增大,增幅在50%以上.在相同裂隙角度下,随循环次数的增加,试样峰值强度降低,降幅在35%以上;试样的应力-应变曲线大致分为4个阶段,即孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂纹发展阶段、破裂后阶段.

岩体单裂隙渗流特性研究综述

为了提供一个关于岩体裂隙几何特征对其渗流特性影响的全面综述,大量调研多年来国内外学者所开展的相关研究工作,总结出开度、粗糙度和应力条件等因素对单裂隙渗流特性的具体影响。结果表明:在开度、粗糙度、应力条件等3种对单裂隙渗流产生影响的因素中,开度影响最早被研究,针对粗糙度影响效应的研究开展较晚,有关应力的研究在近30 a中逐渐增多且愈发被重视。此外,总结出试样制备、开度值获取以及粗糙度表征等未被考虑、提出和解决的关键的问题。研究成果可为岩体裂隙渗流特性的研究提供借鉴。

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明:三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC^(3D)软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。

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。