【摘要】：隨著西部大開發(fā)等戰(zhàn)略計劃的不斷實施,隧道、水利水電等工程建設重心逐漸向西部轉移,西部巖溶區(qū)域水災害頻繁,涌突水成為制約工程發(fā)展的主要災害之一。研究涌突水災害的基礎是巖體的滲流演化機理,而巖體經歷長期的地質作用和人為擾動,內部孕育了各種節(jié)理等缺陷,因此,研究不同應力狀態(tài)下節(jié)理巖體的滲流演化規(guī)律對揭示地下工程涌突水機理及防治和控制具有十分重要的意義。本文以深埋節(jié)理巖體為研究對象,綜合采用物理模擬試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法,對不同地應力狀態(tài)和不同水壓力下巖體的滲流特性開展了一系列的研究,對相關工程的建設和涌突水防治具有一定的指導意義。(1)研制了可進行各向加載的大尺度巖體滲流物理模擬試驗系統(tǒng),包括主體承載裝置、地應力伺服加載系統(tǒng)、氣液復合承壓水加載系統(tǒng)以及其他配套的輔助設備,系統(tǒng)最大地應力載荷達到6.0MPa,水壓力載荷2.0MPa,模型體尺寸為300×300×1800mm。同時配制了可進行滲透性調節(jié)的流固耦合試驗相似材料,為揭示復雜應力狀態(tài)下地下巖體的滲流演化機理提供了新的試驗設備、試驗材料及相關方法。(2)對不同滲透性的均質巖體模型進行了滲流模擬試驗,獲得了巖體孔隙水壓力隨水壓力和地應力的變化特征。不同應力狀態(tài)下均質巖體內孔隙水壓力隨著擴散距離的增大而逐漸減小,均服從雙曲線衰減規(guī)律;推導了最大擴散距離和最小保護層厚度的表達式,隨著水壓力的增大和地應力的減小,最大擴散距離和最小保護層厚度均逐漸增大;根據達西定律的微分形式,提出了計算均質巖體內部水力梯度的新方法,與傳統(tǒng)計算方法相比,計算結果更符合實際滲流規(guī)律,并進一步分析了應力狀態(tài)及材料滲透性對均質巖體水力梯度的影響規(guī)律。(3)在獲得均質巖體滲流演化規(guī)律的基礎上,對兩種不同寬度的單一非貫通充填節(jié)理巖體進行了滲流模擬試驗,研究了水壓力、地應力及側壓力系數對單一節(jié)理滲流演化規(guī)律的影響。單一節(jié)理內孔隙水壓力隨著擴散距離的增大逐漸減小,且符合對數衰減關系;基于微分方法推導了單一節(jié)理內水力梯度的表達式,通過對比分析發(fā)現,傳統(tǒng)計算水力梯度的方法對于定性描述節(jié)理巖體的滲透性能是具有一定道理的,而微分方法可以更加全面的反映節(jié)理巖體內部孔隙水壓力的演化過程。(4)在總結和分析水對巖體力學性能的劣化作用的基礎上,基于有限差分軟件,提出了同時考慮水的滲透及滲透作用下巖體軟化的耦合計算方法,并以六盤山隧道為例,重點考察了承壓水壓力、保護層厚度及含水層厚度對隧道圍巖位移場、主應力分布及塑性區(qū)分布的影響規(guī)律,從而來揭示水滲透作用下深埋隧道的穩(wěn)定性機制。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU45
【圖文】：

（c）圍壓 30MPa，滲透壓 1MPa （d）圍壓 30MPa，滲透壓 7MPa圖 1-1 高圍壓高滲透壓下砂巖應力、滲透率與應變的關系[94]gure 1-1 Relaitonship of stress and permeability of sandstone with strain under high confining presand high osmotic pressure陳秀銅和李志敬等[95-96]對高圍壓高水壓下巖石的卸荷力學特性進行研究，結果壓下巖石的粘聚力和內摩擦角均存在一定的劣化作用。張雪穎等[97]討論了高圍巖石在卸圍壓作用下的變形破壞特征及其能量機制。唐浩等[98]利用 MTS815 型剛性試驗機開展了砂巖在固定圍壓、不同水壓條件下的水力三軸卸荷試驗，揭作用下砂巖擴容變形行為的強烈性和突發(fā)性。蔣海飛等[99-104]分別對砂巖、大理巖等進行了高圍巖高孔隙水壓力作用下三軸，研究發(fā)現孔隙水壓力可以有效增強軸向變形和橫向變形的作用，高孔隙水壓巖石的蠕變破壞更具有突然性，同時孔隙水壓也可以增強巖石的時效變形能力劉欣宇等[105]對含充填裂隙類巖石進行高圍壓、高水壓條件下的的滲透性試驗現，不同充填裂隙試樣的滲透系數不同，但不同圍壓下滲透系數均處于同一數量圍壓的升高，充填裂隙介質的滲透系數呈下降趨勢。馬占國等[106]對破碎煤體

室內巖樣滲流試驗時，通�？梢赃M行不同圍壓不同水壓力等狀態(tài)下的全過程滲流測試，可以獲得巖樣兩端壓力差和滲透系數等的演化規(guī)律，但是巖樣內部不同位置滲透壓力的演化過程無法量測，只能采用達西定律定性反推，且?guī)r樣的滲透試驗一般只能采用圓柱體標準試樣，所謂的不同應力狀態(tài)其實也是準三軸應力，這顯然與地下工程巖體實際應力狀態(tài)不符；采用數值計算進行滲流模擬時，不管是基于連續(xù)介質力學還是離散單元的模擬方法，水的滲流特征都需要進行人為假定，這就必然與實際流體流動規(guī)律存在差異。因此，研制可以進行復雜應力狀態(tài)下的大型巖體滲流機制物理模擬試驗系統(tǒng)一直是巖體滲流研究亟待解決的難題。本文首次設計研發(fā)了一種新的深埋巖體滲流機制模型試驗系統(tǒng)平臺，可以滿足各向加載、不同水壓力等情況下巖體的滲流試驗分析，同時還配制了新的流固耦合模型試驗相似材料，為地下工程巖體滲流演化機理研究提供了新的儀器及配套材料和方法。2.1 深埋巖體滲流機制模型試驗系統(tǒng)研制 (Model Test SystemDevelopment of Deep Rock Mass Seepage Mechanism)2.1.1 研制目的及技術指標含水構造

1 巖體單元為研究對象，研制對應的深埋巖體滲流機制模型試雜應力狀態(tài)、不同水壓力及外界開挖擾動等條件影響下深埋巖程，以及水的滲流、突變等宏細觀運移規(guī)律的模擬和測試，進而應力場、水壓力以及施工本身對深埋巖體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。體滲流機制模型試驗系統(tǒng)主要技術指標如下：型尺寸：900mm×300mm×300mm×2；擬地應力最大荷載集度：6.0MPa；擬地應力荷載精度：±2.0%；壓水荷載：0-2.0MPa；壓水荷載精度：±5.0%；力荷載連續(xù)保持時間：＞48 小時。體滲流機制模型試驗系統(tǒng)整體外觀如圖 2-2 所示，主要由模型主系統(tǒng)、氣液復合承壓水加載系統(tǒng)、以及輔助設備，如模型推送以及數據采集系統(tǒng)等組成。

本文編號：2801569