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.

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。

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。

岩石单裂隙稳态渗流研究进展

从3个方面介绍目前单裂隙渗流研究的最新成果:(1)单裂隙内的流体运动规律,主要研究裂隙渗流模型和流速分布规律等;(2)裂隙过流能力的影响因素,包括应力、隙宽、粗糙度、充填物以及多场耦合等;(3)单裂隙渗流的数值模拟方法,包括裂隙的数值生成方法和模拟技术。系统总结和分析目前最新的研究成果,对渗流研究理论和方法中存在的问题进行深入探讨:裂隙内渗流的流动规律复杂,裂隙渗流模型和机制仍有很多不明之处;剪应力影响是目前裂隙渗流研究的热点,三维应力和拉应力对裂隙渗流的影响也是未来研究的方向,但模拟复杂应力状态下的渗流试验装置仍是研究的"瓶颈";评价裂隙面粗糙程度仍是一个复杂的问题;数值模拟裂隙渗流与试验方法相辅相成,正确选择合理的数值方法非常重要。

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N.Barton和V.Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC=0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径φ50mm,高度100mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明:(1)在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2)不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。

基于格子Boltzmann方法的岩体单裂隙面渗流特性研究

为了研究层流状态下粗糙单裂隙面的渗流特性,基于格子Boltzmann方法,建立了压力作用下单裂隙面渗流的数值模型。采用D2Q9模型模拟离散速度分布方向,在宏观尺度上,上、下边界设置为不透水边界(u_x=u_y=0),左、右边界为压力边界(左侧压力p_(in)大于右侧压力p_(out))在微观尺度上,左、右边界及光滑裂隙表面采用非平衡态外推格式,粗糙裂隙表面采用标准反弹格式。编制了相应的计算程序,验证了光滑平板裂隙流的立方定律。采用分段随机裂隙长及裂隙宽的方法生成了粗糙裂隙面,并基于格子Boltzmann方法研究了不同粗糙裂隙面方案的渗流特性。研究结果表明:对于粗糙裂隙面,渗流特征极大程度取决于裂隙表面形貌,随着相对粗糙度的增加,裂隙渗流规律明显偏离立方定律。为此,考虑裂隙面相对粗糙度的影响,根据不同裂隙粗糙面方案的数值计算结果,提出了层流状态下粗糙裂隙面渗流的立方定律修正公式,为系统研究复杂粗糙裂隙的水力特性奠定了一定的基础。

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明:在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。

大坝基岩单裂隙灌浆流固耦合模拟研究

单裂隙是构成裂隙网络的基本元素,对浆液在单裂隙中扩散规律的研究是研究浆液在裂隙网络中扩散的基础.目前灌浆数值模拟研究主要集中在特定参数的取值对数值模拟结果的影响以及数值模拟与模型试验结果的对比,且在考虑流固耦合作用对实际灌浆的影响时均采用二维模型.本文通过构建三维单裂隙特征模型,以对实际灌浆效果影响显著的灌浆压力、裂隙宽度和裂隙倾角等3个因素为研究对象,基于三维离散元方法进行了考虑流固耦合作用的单裂隙灌浆数值模拟参数的敏感性分析.研究结果表明:流固耦合作用对于数值模拟结果的影响随灌浆压力的增大而增大,随裂隙宽度的增大而减小,基本上不会随裂隙倾角的变化而改变.以上结论对于指导基岩裂隙灌浆具有一定的理论和现实意义.

冻结饱水单裂隙岩体力学特性试验研究

通过相似单裂隙岩体冻结三轴试验,研究裂隙倾角、迹长、隙宽、围压和温度对单裂隙岩体力学特性的影响,试验结果表明:裂隙岩体力学参数与倾角呈二次函数分布,与迹长呈指数函数分布,通过拟合式(3)可近似计算岩体强度;岩体强度与围压呈线性分布,负温条件下泊松比和弹性模量受围压影响较小;隙宽小于0.1 mm或大于0.8 mm时,岩体强度随隙宽增大而减小,隙宽在0.1~0.8 mm之间时,岩体力学参数几乎不受隙宽影响;岩体强度随温度降低而增大的作用机制是岩体孔隙水和裂隙水冻结成冰,增大了颗粒间的凝聚力和摩擦角;裂隙倾角影响破裂面的起始位置,迹长影响破裂面的扩展规模,围压影响破裂面的延伸方向;倾角对岩体强度影响最大,迹长次之,温度影响最小。