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高压渗流作用下裂隙岩体损伤演化机制研究

梁德贤  
【摘要】:岩体裂隙是地下水的赋存空间,渗透水压作用于裂隙岩体内部的节理、裂隙中,改变着裂隙岩体的内应力状态,降低裂隙岩体的力学强度。裂隙岩体在工程扰动、渗流压力等的共同作用下,内部裂隙不断扩展、贯通,最终导致裂隙岩体破裂失稳,并引起突水等灾害。本文综合运用现场实测、室内试验、数值模拟计算、理论分析等方法,对高压渗流作用下裂隙岩体的损伤演化机制进行了深入的探讨与研究,主要取得了以下成果:(1)全应力-应变过程岩石损伤破坏大致可分为五个阶段,不同阶段的声发射活动频率及能率具有不同的特征、渗透性也随之发生变化。渗压作用下岩石的损伤破坏受到围压及渗透水压的影响,围压的存在抑制着裂隙岩体的损伤破裂,渗透水压则极大的促进着裂隙岩的损伤破裂。岩石的渗透性与岩石的损伤破坏状态存在明显的相关性,是岩石损伤破坏状态的外在表现。岩石渗透性的演化过程对应于岩石的损伤破坏状态具有明显的阶段性,且其演化过程中存在渗透性明显的突增点。(2)基于工程现场对裂隙岩体进行的原位高渗流压水试验结果,分析得到了裂隙岩体渗透性与渗流压力的关联性,裂隙岩体的渗透性随随渗流压力呈指数型增大,且增大的趋势表现出明显的分段性,渗透系数的增大曲线上反映出明显的突变点。分析认为渗透系数增大的主要原因应是裂隙面开度在渗透水压作用下增大的结果,通过对试验数据拟合分析,推导出高渗流水压作用下裂隙岩体渗透系数与裂隙初始渗透能力、裂隙状态参数(张开度、刚度)的关联评价模型。(3)运用断裂力学理论,综合考虑裂隙的闭合与张开情况,对渗透水压参与下的裂隙岩体裂纹起裂、扩展机制进行了理论分析。分析得出渗透水压力的大小与裂隙起裂强度成反比,围压的大小与裂隙起裂强度成正比,裂纹长度与裂隙起裂强度成反比裂纹尖端曲率半径与裂隙起裂强度成反比;有关渗透水压作用下裂隙岩体裂纹的扩展研究发现,无论是裂隙张开还是闭合,渗透水压力加剧了裂纹的扩展,而围压的作用则相反。(4)在人为扰动及地下水渗流作用下,裂隙岩体由稳定状态到破坏失稳的变形过程可以分为稳定演化及突变失稳两个阶段,而裂隙岩体破坏失稳往往与渗流突变致灾相伴生。从裂隙岩体损伤演化机制角度,岩体裂隙的渗透性主要受制于裂隙的张开程度及连通性,渗透性强弱影响着渗流压力的作用强度,并影响到岩体的内应力状态。裂隙岩体破坏失稳后,渗流压力会随之急剧增强,由此导致裂隙岩体的渗流状态发生质的变化。(5)对承压水上采动煤层底板损伤破坏进行数值研究,结合以往学者对煤层底板破裂与渗流演化过程的研究,分析了承压水上开采煤层过程中底板应力场、损伤破裂、渗流场的演化规律以及顶板垮落压实、底板非均质性、承压含水层水压对等因素对底板损伤破裂与渗流演化的影响。


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