渗流场中岩石流变特性的数值模拟

渗流对岩石的流变特性有显著的影响,但限于试验条件,相关的试验成果较少。而数值计算技术已成为进行岩石力学研究的重要方法,因此,采用数值模拟方法对渗流场中岩石的流变特性进行了研究。对已有的岩石室内流变试验进行模拟来验证数值方法的有效性,在压缩流变试验的数值模拟中对试件分别施加单向、三向渗流场来模拟不同渗流条件对岩石流变特性的影响。模拟结果表明,在渗流方向上渗流产生的动水压力会导致试件的流变变形增大。此外,不同渗流场对流变的影响也有所差异,三向渗流场中试件受到的轴向渗透力小于单向渗流场,而侧向渗透力则大于单向渗流情况,这也导致三向渗流场中试件的轴向应变小于单向渗流场,而侧向应变大于单向渗流场。     

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

水泥尾矿砂土的应力渗流耦合特性试验

基于工程环境中水泥土桩体经常处于各种荷载应力和地下水渗流等多因素耦合作用的复杂状态,采用三轴应力-应变-渗流试验系统,研究了不同水泥掺量的水泥尾矿砂土的渗流特性。结果显示:各种应力状态下水泥尾矿砂土的渗流特性均符合达西定律,且渗透系数随着水泥掺量的增加明显减小;在应力-渗流耦合作用下,水泥尾矿砂土的渗流特性随应力状态变化而改变,渗透系数随着轴向应力的增加先减小后增大,变化曲线呈U字型。水泥尾矿砂土的渗透特性变化与它的应力-应变特性具有一定的对应关系。     

采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。     

渗透压-应力耦合作用下泥岩三轴流变实验及其流变本构

渗透压与应力耦合作用下泥岩的流变实验及其本构研究, 对岩土工程长期稳定性分析具有重要的意义.采用岩石温度-应力-渗流耦合三轴流变仪, 对泥岩进行了渗透压-应力耦合作用下、干燥状态下两种状态的三轴流变试验, 并对两种状态下流变破坏后泥岩断口进行了电镜扫描.研究结果表明:(1) 渗透压-应力耦合作用下泥岩应变与时间关系实测曲线中应变曲线出现突变现象的次数明显高于干燥状态下泥岩的流变曲线, 说明渗透压对泥岩具有较强的损伤效应; (2) 因渗透压的作用, 致使渗透压-应力耦合下泥岩在轴向应变、环向应变和体积应变总量上远大于干燥态流变岩样的应变总量, 渗透压-应力耦合下泥岩发生流变破坏的应力荷载为干燥状态泥岩荷载的66.7%, 渗透压对岩石强度有明显的减弱影响; (3) 两种状态下流变破坏后泥岩断口进行电镜扫描后, 细观破裂特性对比发现, 在渗透压-应力耦合作用下, 岩石强度加速降低; (4) 对两种状态下泥岩试验成果的流变模型进行了预测, 采用所提出的改进的西原本构模型来描述泥岩的流变变形行为, 拟合结果显示:改进的西原本构模型能够较好地模拟两种状态下泥岩的全过程流变变形行为, 并获得了流变变形特征的本构模型参数值, 为渗透压-应力耦合下岩土体长期变形研究奠定了重要基础.      

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

节理泥质粉砂岩卸荷流变试验及流变规律研究

为了解节理对泥质粉砂岩卸荷流变规律的影响,进行了同起始围压,不同应力水平下的节理泥质粉砂岩分级卸荷流变试验。首先,详细介绍了节理试样的预制方法及卸荷流变试验的过程,然后,研究了节理试样在不同应力水平作用下的轴向及侧向流变应变变化规律,得出节理倾角为0°的试样轴向及侧向流变应变随围压降低的增大趋势最陡,节理倾角为60°的试样其次,节理倾角为40°的试样最缓。同时,分析了节理对轴向及侧向流变速率变化趋势的影响,探讨了不同倾角节理试样的卸荷流变破裂机制。研究结果较为全面地掌握了节理泥质粉砂岩的卸荷流变基本规律,为进一步建立节理岩体的流变本构模型及参数辨识提供了可靠依据。     

不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明：（1）在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。（2）孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。（3）电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

循环加卸载作用下预制裂隙煤样渗透性试验研究

应用三轴加载煤岩渗流试验装置,对预制贯通裂隙煤样开展循环加卸载轴压渗透率试验,分析循环加卸载轴压作用下预制裂隙煤样渗透率的变化规律及其之间的差异。研究结果表明：预制裂隙煤样渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率对应力敏感性随加卸载次数增加而降低。加载阶段渗透率差值与卸载阶段渗透率差值随加卸载次数增加而降低,渗透率差值与应力敏感性系数呈正相关性。加载阶段与卸载阶段渗透率存在明显差值,渗透率产生明显损失量,其随加卸载次数增加而降低。竖直裂隙煤样渗透率与应力敏感性系数明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透性与完整煤样渗透性相差不大,但水平裂隙煤样应力敏感性系数高于完整煤样。竖直裂隙煤样渗透率差值与渗透率损失量明显高于水平裂隙煤样与完整煤样,水平裂隙煤样渗透率差值高于完整煤样,但两者渗透率损失量相差不大。循环加卸载轴压结束后,完整煤样渗透率损失率最大,水平裂隙煤样渗透率损失率居中,竖直裂隙煤样渗透率损失率最小;竖直裂隙煤样渗透率恢复率最大,水平裂隙煤样渗透率恢复率居中,完整煤样渗透率恢复率最小。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

真空负载方式对疏浚淤泥脱水过程中脱水规律的影响

采用自主改装的变压头黏土渗透仪,模拟疏浚淤泥脱水过程中水分在淤泥颗粒多孔介质中的迁移运动过程,通过测定疏浚淤泥脱水过程中渗透系数与过滤常数、渗水量与滤液量、泥饼含水率与孔隙率,探究了负载压力为100 kPa时,不同负载方式（负载时间及负载压力梯度变化）对疏浚淤泥脱水过程中过滤和渗流规律的影响。研究发现：负载下的过滤和渗流同时进行,负载1 h期间,前期0～40 min内过滤占主导地位,后期40～60 min内渗流起关键作用。负载压力梯度由原来1 h内间隔变化1次,变为以20 kPa为梯度递增变化5次,随着压力变化梯度减小,渗透系数、过滤常数增加,淤泥脱水性能得到较明显的改善,并且前期负载压力越小,脱水效果越好。     

无纺土工织物过滤黏土的反滤特性试验研究

在土工织物反滤排水工程中,织物滤层在应力、渗流实际工况下的反滤特性是保证工程安全的关键问题。为揭示无纺土工织物过滤黏土的反滤机制,采用自主研制的可施加法向压应力的梯度比渗透仪试验装置测定黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT、各分层土的渗透系数kj、梯度比RG和试验前后土工织物试样的质量变化情况,研究在不同水力梯度、应力水平下无纺土工织物过滤黏土的反滤特性。结果表明：黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT和梯度比RG随着时间的增加而减小,并最终趋于一个稳定值;增大水力梯度可以改善黏土−无纺土工织物滤层的透水性,增加应力水平会降低土工织物滤层的透水性且提高其保土性;渗流作用下,被保护土层表现为靠近无纺土工织物的底层土渗透系数最小,远离无纺土工织物的最上层土的渗透系数最大;堵塞系数与黏土−无纺土工织物滤层体系的渗透系数kT、梯度比RG存在内在的关系,在特定的应力−渗流作用下可能存在一个临界堵塞系数,大于该值时将造成无纺土工织物滤层的反滤失效。     

有效应力对保德区块煤储层渗透率影响研究

通过有效应力单因素影响保德区块煤岩气体渗流实验,分析了煤岩渗透率应力敏感性以及割理压缩系数变化特征.结果表明:保德区块煤储层渗透率与有效应力呈负指数函数关系;煤层埋深越深,煤岩渗透率变化幅度越小,渗透率应力敏感性下降。渗透率损害系数的线性函数拟合相关系数较低,应力敏感系数的负指数函数拟合相关系数较高,应力敏感系数比渗透率损害系数更具规律性。在高有效应力阶段,煤岩割理压缩系数更趋近于常数,低有效应力阶段,割理压缩系数应视为变量。     

变轴压加载煤体变形破坏及瓦斯渗流试验研究

为探究煤岩在变轴压加载下的变形破坏和瓦斯渗流演化规律,以原煤煤粉压制的煤体试件为研究对象,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行了5种不同轴压加载路径下的煤体三轴压缩及瓦斯渗流试验。研究结果表明,煤体变形可分为压密、稳定发展、非稳定破裂发展和破裂后4个阶段;压密阶段试件的应变变化速率主要与张开性结构面和裂隙有关,与轴压加载区间无关,稳定发展阶段虽然轴压加载速率不同,但在相同的轴压加载区间,轴向应变变化速率基本相同;变轴压加载前期煤体渗透率与轴压的加载速率呈负相关变化,中后期渗透率变化速率与轴压加载速率相关性不大。研究结论对指导冲击地压以及煤与瓦斯突出的监测预警有着重要意义。