考虑基质渗透性的岩体单裂隙渗流及影响因素的室内和数值试验研究

为客观评价基质渗透性,并探明其在裂隙岩体渗流中的作用和比重,采用自主研制的应力–渗流耦合试验装置,开展水力耦合条件下完整岩芯和含贯穿单裂隙岩芯(泥岩、砂岩、石灰岩)的渗透试验研究,探究变围压(10~18 MPa)和变裂隙粗糙度系数(1.64~15.52)条件下裂隙、基质的渗流过程及规律。试验结果表明:基质和裂隙的渗透率均随围压的增加而降低,且裂隙渗透率的下降速率快于基质的下降速率,造成裂隙与基质的渗透率比值(K_(f)/K_(m))也逐渐下降;当围压增加至18 MPa时,泥岩的K_(f)/K_(m)已介于7~8(与裂隙粗糙度有关),小于一个数量级,基质渗透率已不容忽视。为进一步探索不可忽略基质渗透率的围压阈值,采用COMSOL构建含贯穿单裂隙岩芯的数值模型,模型中假定基质和裂隙内的渗流分别服从Darcy定律和Forchheimer定律,进而开展更大围压(3~53 MPa)范围和粗糙度系数(2.58~17.4)下的渗流数值模拟。数值模拟结果与试验结果较为一致,精准复现了裂隙及基质渗透率随围压和粗糙度系数的演化规律。若以K_(f)/K_(m)=10作为界定不可忽略基质渗透性的界限值,对应泥岩、砂岩、石灰岩的围压阈值分别为18,20,46 MPa。通过深入分析裂隙渗流场表明,随着围压和粗糙度系数的增加,裂隙的接触面积增大,过流面积相应降低,水流主要沿着缩窄的渗流通道贯穿裂隙;同时,过流通道的缩窄导致流速增加,在流场内形成涡流,进一步降低了裂隙的渗透性。系统探索了流体在裂隙和基质内的渗流过程及规律,提出采用K_(f)/K_(m)判定可否忽略基质渗透性的方法,为评价基质渗透性在裂隙岩体渗流中发挥的作用提供了定量指标。

变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究

为探究节理剪切性质随饱和度变化的演变规律,首先采用三维激光扫描技术和3D打印技术相结合的手段,通过将水泥、砂、粉煤灰和水按1∶3∶0.4∶0.55的配比混合,从而复刻出3种不同粗糙度的类岩石节理,并根据计算得到的节理空隙体积对饱和度进行控制,随后采用自主研发的岩石直剪试验系统,对3种粗糙度的复刻节理开展了在常法向应力(0.2 MPa)和变饱和度条件下的直剪试验。试验结果表明,饱水时3种粗糙度的节理试样峰值剪切强度平均降低28.4%,不同粗糙度下峰值剪切强度分别降低35.7%(JRC=12.9),28.5%(JRC=10.1)和16.1%(JRC=7.3)。此外,随着饱和度的增大,节理残余剪切强度亦逐渐下降,降低幅度为7%~12%,其下降程度同样与粗糙度相关。通过进一步的分析表明:水的力学作用和对粗糙节理面的浸润作用是引起其剪切强度弱化的主要原因;随着粗糙度的增加,水-岩相互作用的面积增大,水对节理剪切强度的弱化程度相应地增强。所揭示的抗剪强度随饱和度增加而显著弱化的现象表明,对岩体工程进行设计时除了考虑水的影响外,还应对含水量(饱和度)可能导致的剪切强度弱化进行量化分析。

不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究

为研究不同循环加卸载路径下红砂岩的损伤演化规律,基于MTS815岩石力学试验系统对红砂岩开展恒下限和变下限循环加卸载试验,同步进行声发射和数字图像相关技术(DIC)监测。结果表明:相较于单轴压缩试验,恒下限循环加卸载下岩石平均抗压强度提高了6.5%,变下限循环加卸载提高不显著。恒下限循环加卸载下Felicity比平均值随应力增大而持续减小,而变下限循环加卸载后期的Felicity比基本保持不变。表观应变场演化趋势与声发射变化特征一致,恒下限循环加卸载下岩石破坏前损伤变形逐渐增大,呈缓增型特点;而变下限循环加卸载下加卸载前期损伤应变较分散,直至应力超过峰值强度66%时,岩石较大表观应变点才由分散快速集中,局部区域变形急剧增大,呈突变型特点,试样表现为剧烈的脆性破坏,实际工程中应予以重视。