本文關(guān)鍵詞：巖石節(jié)理抗剪強(qiáng)度與滲透特性試驗(yàn)研究

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【摘要】：天然巖體包括由礦物組成的巖石和節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面。巖體的水力特性由巖石和結(jié)構(gòu)面共同決定,一般情況下結(jié)構(gòu)面對(duì)其影響更大。結(jié)構(gòu)面的存在使得巖體的水力特性復(fù)雜多變,其中節(jié)理面的粗糙起伏對(duì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)、滲透特性具有重要影響。巖石結(jié)構(gòu)面的力學(xué)和滲透特性是巖石力學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。近十幾年來(lái),許多大型巖體工程領(lǐng)域相關(guān)的工程建設(shè)如水能資源開(kāi)發(fā)、石油天然氣開(kāi)采、油／氣能源地下儲(chǔ)存、高放核廢料地質(zhì)處置、污染物運(yùn)移治理等將涉及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下巖體的變形穩(wěn)定、滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律與滲流控制等問(wèn)題。結(jié)構(gòu)面的剪切力學(xué)性質(zhì)是節(jié)理水力耦合機(jī)理研究的基礎(chǔ),是保證大型巖體工程施工安全的重要保障,并對(duì)于維持巖體工程的長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定具有重要影響。巖石節(jié)理滲流特性及相關(guān)影響因素的控制機(jī)理研究是節(jié)理水力耦合特性研究的重要組成部分。目前,巖石節(jié)理滲流運(yùn)動(dòng)的理論有待發(fā)展和深化,開(kāi)展剪切作用下巖石節(jié)理強(qiáng)度與滲透規(guī)律研究是巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論發(fā)展和巖體工程實(shí)踐的需求。建立演示節(jié)理三維抗剪強(qiáng)度模型具有重要的工程價(jià)值,深入研究巖石節(jié)理滲流規(guī)律及其幾何形貌影響機(jī)制將具有重要理論意義。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,以巖石劈裂節(jié)理為主要研究對(duì)象開(kāi)展研究。為了探究巖石節(jié)理的剪切滲流特性,分別展開(kāi)了節(jié)理形貌表征,節(jié)理力學(xué)特性,錯(cuò)動(dòng)節(jié)理滲透特性等試驗(yàn)研究。主要研究成果如下：(1)提出了一種改進(jìn)的巖石節(jié)理三維形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)表征方法。首先,建立了不同方向的三維平均傾斜角計(jì)算方法；其次,針對(duì)花崗巖及紅砂巖試樣的三維形貌測(cè)量數(shù)據(jù),按30。平面角度間距計(jì)算了該參數(shù)的各向異性,在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的表觀各向異性度計(jì)算方法；針對(duì)Belem等提出的表面平均梯度模的不足提出了改進(jìn)的三維形貌參數(shù)算法；最后,運(yùn)用改進(jìn)的形貌參數(shù)算法對(duì)經(jīng)歷多次剪切的花崗巖和紅砂巖劈裂節(jié)理試樣進(jìn)行了形貌特性分析。研究結(jié)果表明,改進(jìn)的形貌參數(shù)能夠更好地反映節(jié)理三維形貌變化特征,并能描述節(jié)理的各向異性；經(jīng)歷三次剪切作用后,節(jié)理表面的凹凸程度、粗糙性及各向異性度降低,但仍存在較大的各向異性；表面平均梯度模會(huì)隨著剪切次數(shù)的增大不斷減小。(2)進(jìn)行了用花崗巖和紅砂巖劈裂節(jié)理試件的多次直剪試驗(yàn),研究了考慮三維形貌影響的峰值抗剪強(qiáng)度模型及其衰減規(guī)律。首先,采用可以考慮剪切方向影響的三平均視傾角θ*和最大接觸面積比A0作為節(jié)理形貌參數(shù),基于形貌參數(shù)變化規(guī)律給出了峰值剪脹角的估算模型,由此建立了巖石節(jié)理峰值剪切強(qiáng)度模型。然后,從模型表達(dá)形式及估算準(zhǔn)確度方面,將其與Barton模型、Grasselli模型及夏才初模型進(jìn)行了對(duì)比分析。詳細(xì)分析了各模型的優(yōu)缺點(diǎn)。新模型適用于鋸齒狀節(jié)理試樣,物理意義更明確,形式簡(jiǎn)潔、估算準(zhǔn)確具有工程使用價(jià)值。根據(jù)循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果,提出了可考慮多次剪切作用的節(jié)理峰值抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。模型可考慮節(jié)理三維形貌和剪切方向的影響。在此編寫了節(jié)理強(qiáng)度模型的自定義本構(gòu)模型,采用3DEC程序進(jìn)行了節(jié)理剪切過(guò)程的數(shù)值模擬,模擬規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。(3)為了研究巖石節(jié)理中的非線性滲流運(yùn)動(dòng)特性,進(jìn)行了錯(cuò)動(dòng)節(jié)理的滲流試驗(yàn)研究。試驗(yàn)法向荷載采用1.0MPa到5.0MPa五個(gè)級(jí)別。選擇粗粒、中粒和細(xì)粒三種顆粒大小的花崗巖劈裂節(jié)理試樣,采用三維激光掃描儀測(cè)量節(jié)理形貌并計(jì)算形貌參數(shù)。定量討論了Forchheimer線性參數(shù)、非線性參數(shù)以及臨界雷諾數(shù)與節(jié)理面壁形貌的關(guān)系。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了節(jié)理水力開(kāi)度、水力梯度與滲透流量關(guān)系的非吻合節(jié)理非線性滲透模型。將建立的模型與Lomize模型、Forchheimer模型、Izbash模型進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。討論了各模型的局限性。結(jié)果證明,新模型物理意義明確,具有工程使用價(jià)值。最后,采用LBM方法進(jìn)行了粗糙節(jié)理滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律(N-S方程)的數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證了節(jié)理滲流中粗糙度對(duì)節(jié)理滲流的影響。(4)提供了一種能在試樣周邊形成效果很好的封水邊界的適用于巖石節(jié)理剪切滲流試驗(yàn)的剪切盒設(shè)計(jì)方法。研制了巖石節(jié)理剪切滲流試驗(yàn)系統(tǒng)。能夠在試樣節(jié)理中形成穩(wěn)定的層流,其與工程中巖體的真實(shí)滲流情況更接近。進(jìn)行了在不同法向荷載和水壓作用下的剪切滲流試驗(yàn),研究了剪切作用對(duì)節(jié)理滲流流態(tài)的影響,分析了節(jié)理應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的滲透特性變化規(guī)律,討論了剪切過(guò)程節(jié)理形貌變化對(duì)Forchheimer方程線性參數(shù)及非線性參數(shù)的影響。最后,研究了臨界雷諾數(shù)隨剪切位移的變化規(guī)律,提出了描述剪切過(guò)程中臨界雷諾數(shù)的變化模型,討論了水力開(kāi)度、剪切位移與臨界雷諾數(shù)的關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45

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