循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究

【摘要】：岩石单裂隙的变形和渗流特征是岩体裂隙渗流的基础工作。论文采用RMT150试验机、GCTS直剪仪、UCT-2蠕变仪及辐射流渗流装置,对含有人工裂隙的岩石试样进行循环加载条件下单裂隙变形和渗流的试验,研究法向、剪切循环加载下岩石裂隙的法向变形和法向应力下岩石裂隙的渗流特征,得到如下认识。 (1)对完整、含水平及竖直裂隙的三组岩样(每组6个)进行常规三轴压缩及循环加载试验,发现水平或竖直裂隙对岩样变形影响较大,对强度影响较小。 (2)粗糙度是研究裂隙变形和渗流的重要参数,通过测量剖面线高度得到了7种岩样128条裂隙剖面线的粗糙度参数,并分析了节理粗糙度系数JRC、粗糙角i、粗糙轮廓指数Rp及分维D之间的关系。 (3)对5组86个单裂隙试样进行法向压缩,得到法向应力-闭合曲线。提出了闭合度概念,分析了经典指数模型、BB双曲线模型、周建民幂函数模型、修正指数模型及Swan指数模型对法向应力-闭合曲线的拟合精度及参数特征,并进行了粗糙度、自然风化及溶液浸泡的影响分析。 (4)将完整岩样循环加载曲线划分为滞回稳定、前移、后移三种类型,分析了不同应力水平下循环加载过程中完整岩样和裂隙岩样的能量耗散特征,得到了加卸载总闭合量与循环次数的指数函数关系。以加卸载曲线均通过(0,0)和(σmaxi, bmaxi)为已知条件,推导了双曲-幂函数模型,得到了加卸载曲线的初始刚度和最大隙宽与循环次数的指数函数关系,由此可确定每个循环的加卸载曲线。 (5)分析了循环剪切过程的分段特征和法向变形机理,认为法向变形与岩石裂隙面强度、粗糙度和法向应力水平有关,较好解释了煤岩裂隙(9个试样)及人工岩石裂隙(16个试样)的直剪试验结果。 (6)根据多级加载下岩石裂隙法向蠕变曲线,提出了岩石裂隙多级加载下的蠕变机理,分析了渗流裂隙的蠕变特征,流体的冲刷排屑对蠕变有重要影响。 (7)建设了多级加载下裂隙渗流试验系统,对5组10块裂隙岩样进行了19次辐射流方式的渗流试验。小隙宽范围内的裂隙渗流随法向闭合依次存在群岛流、过渡流和沟槽流三个阶段。啮合裂隙渗流多处于后两个阶段,而含垫片裂隙渗流处于前两个阶段。单水头流量与法向应力呈指数函数关系,受应力历史影响较大;与力学隙宽存在较好的次立方关系,其指数平均值为2.43。