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岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究

刘洪磊  
【摘要】:岩石作为一种天然的非均匀材料,其内部富含各种缺陷,包括微裂纹(裂隙)、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面,它们的存在为地下水提供了贮存和运移的场所。地下水渗流以渗透应力作用于岩体,影响岩体中应力场的分布,同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形,影响裂隙的渗透性能,所以渗流场随着裂隙渗透性的变化而重新分布,这种相互影响称之为渗流—应力耦合。 许多岩体工程的失事都与地下水有关,如水电工程大坝的失事、煤矿底板突水和顶板溃沙涌水等,其失事的本质原因是在渗流场和岩体应力场的相互作用下,内部相邻裂纹、裂隙与工程扰动诱发的裂纹裂隙不断扩展、相互作用直至贯通而导致了工程岩体的失稳形成工程灾害。 本文从工程实际出发,在前人研究工作的基础上,对岩体渗流破坏机制开展了进一步的基础研究,选取了砂岩和凝灰岩两种岩石试样,分别进行三轴应力状态变参数条件的全应力-应变过程渗透性对比实验,研究了两类岩石变形、破坏过程中渗透性变化的特点,研究渗透性变化与体积应变的关系及峰前峰后的变化规律,利用数值手段进行补充和对比,研究了不同孔隙压力对岩石渗流破坏的影响。 首先,通过实验研究得到渗流过程中渗透压差对岩石试件渗透率的影响规律,峰值前和峰值后渗透压差随时间的增加均呈负指数关系;得到了体积应变-渗透率的关系方程。在轴向加载过程中,体积应变反映了岩样屈服、弱化和破坏过程中渗透率的演化规律,尤其是应力峰值之后损伤破坏对岩样渗透率的影响规律。得到了在整个岩石破裂渗流过程中,声发射活动随应力变化表现出不同的特征。 其次,通过模拟计算更系统的研究不同渗透压差条件下岩石试件的渗流破坏规律。对比研究了稳态渗流和非稳定渗流条件下,岩石破坏、渗流场和水力梯度分布的差异。稳态下随着岩石的损伤破坏,渗透系数不断增大;而非稳定条件下,随着岩石的损伤破坏,压差达到稳定的时间缩短。 最后,应用实验和数值计算所得到的规律和认识,模拟计算了红透山深部断层下开采诱发围岩破坏渗流过程,计算结果和实际情况较为一致,为开展巷道防渗工作提供了科学依据。


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