各向异性软岩的变形与渗流耦合特性试验研究

根据泥质粉砂岩和泥岩在垂直和平行于层理面的条件下进行的三轴压缩和渗流试验,得到了不同围压及岩石成层条件下泥质粉砂岩和泥岩的弹性模量,建立了基于层理面夹角和围压的软岩弹性模量控制方程。渗透张量与应力的耦合关系是各向异性渗流耦合分析的关键问题,通过引入应力主轴与渗透主轴非一致时渗透张量与应力的响应关系,建立了各向异性渗透张量与应力耦合的控制方程,并对比了试验数据与计算结果,为各向异性软岩渗流应力耦合分析模型的建立奠定了理论基础。     

含杂质盐岩加载全过程的渗透试验研究

为了探讨杂质含量对盐岩力学行为和渗透特性的影响,对不同杂质含量的盐岩进行三轴压缩全过程的气体渗透试验。研究表明,气体渗透作用下杂质含量的增加使得盐岩峰值应力逐步增大而峰值应变逐步减小,应力-应变曲线呈现出向应变零点处的纵坐标"收缩"的状态;杂质含量和围压的变化都会对盐岩的渗透率大小产生影响,当杂质含量小于等于50%时围压的影响较杂质的影响大,当杂质含量大于50%时杂质含量的影响较围压大;围压增大使得盐岩的渗透率减小,渗透率最小值前移,且受杂质影响的范围向前扩大;围压的增大使得杂质影响下的峰值应力处的渗透率和应力零点处的渗透率之间的差异变大,杂质含量的增大使得峰值处的渗透率增大。     

盐岩三轴间隔疲劳特性试验研究

为研究地下盐穴储气库受间歇性周期注、采循环载荷作用下围岩的非连续疲劳破坏演化过程,对取自巴基斯坦的深层盐岩进行了室内三轴间隔疲劳试验研究,并分析了三轴状态下不同围压、不同应力等级对盐岩间隔疲劳的影响。试验结果表明：（1）与单轴间隔疲劳相比,围压的存在不仅提高了盐岩的抗压强度,而且增加了盐岩的疲劳寿命,围压越高增加的幅度越明显。（2）三轴间隔疲劳试验中,盐岩间隔后循环中的残余应变大于间隔前的残余应变。这与单轴间隔疲劳得到的结果一致,但围压的上升会导致盐岩的残余变形积累速度以及间隔前后循环残余的变形差值都减小。（3）随着应力等级的升高,残余应变以及时间间隔前后的残余应变差值都呈现增大的趋势。     

三轴应力状态下盐岩强度分析探讨

通过分析盐岩在三轴应力状态下的变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析。研究揭示了应利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正,得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数,围压为20 MPa时的轴向压缩变形量是5 MPa时的3.09倍。围压越高,对数应变修正得到的最大轴向应力与不修正的差值越大,用对数应变修正后的轴向应力低于不修正的结果,围压达到20 MPa时,前者仅为后者的63.85%。     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。     

岩石破坏前后曲线分类及脆-延转换围压研究——蚀变岩常规三轴压缩试验Ⅰ

蚀变岩是工程中少见的软弱岩类,在西南某重大水电工程中,蚀变岩处于工程的重要部位,为保证工程的长期稳定性,对蚀变岩力学特性进行了深入全面的试验研究.通过对孔隙度不同的饱水蚀变岩进行系统的常规三轴压缩试验和总结分析,提出了蚀变岩三轴压缩下破坏前应力.应变曲线可分为3大类,破坏后应力-应变曲线亦可分为3大类的形态模式.并得出结论:蚀变岩的破坏类型受围压与孔隙度的共同影响,在给定的12 MPa围压下蚀变岩以脆性破坏为主,只有孔隙度大于16%且围压大于4 MPa时才有可能进入脆-延转换状态,且脆-延转换围压随孔隙度增加而降低,临界状态应力比随孔隙度增大而增加.     

层状盐岩力学和变形特性数值试验研究

对含泥岩夹层层状盐岩力学和变形特性进行有限元分析。首先,用数值试验方法预测含泥岩夹层层状盐岩体宏观等效弹性力学参数,然后,建立层状盐岩复合体细观有限元模型,研究其在单轴和三轴压缩荷载下盐岩、泥岩以及界面细观应力应变场分布特征、应力集中问题,并将上述研究与已有的理论和试验成果进行对比。结果表明,运用细观有限元方法预测层状盐岩宏观弹性力学参数是一种直观有效的方法;泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致在层状盐岩的泥岩夹层中以及界面边缘处存在较为明显的应力集中和差异变形。单轴压缩时,泥岩体由于侧向变形能力差会受到横向拉伸应力作用而盐岩层则相应的受到横向压应力作用,三轴压缩时因围压和偏应力大小不同层状盐岩细观应力应变场分布特征则更为复杂;此方法能更为直观的分析层状盐岩的变形和破损特征,这一分析结果对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库硐室稳定性分析提供了理论基础。     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

黏土岩水力耦合特性试验研究

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即：载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0～1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。     

基于塑性损伤的黏土岩力学特性研究

一系列三轴压缩试验表明,黏土岩的力学特性与其应力状态相关。主要表现为:围压越大,黏土岩试样应力峰值越大,且峰值出现得越晚。这是因为高围压试样内部微裂纹闭合趋势更加明显,从而对于微裂纹的发展具有一定的抑制作用。但在软化过程中应力的跌落程度受围压影响不大,这是因为软化过程中,不同围压作用下试样内部的微裂纹均逐渐贯通,并发展成同类型的剪切面,对试样力学性能的削弱大致相同。在试验研究基础上,以微裂纹作为损伤基元,引入受应力状态影响的损伤演化方程(因微裂纹的发展受应力变化影响),建立新的本构模型,通过Abaqus及子程序对新模型进行数值实现。模拟结果与试验结果对比表明,该模型可以有效地描述黏土岩的力学特性。研究成果为黏土岩相关地下工程施工提供了更可靠的理论指导。     

某水工隧洞裂隙岩体高水头作用下的渗透性试验研究

结合某抽水蓄能电站高压引水隧洞裂隙岩体的高压压水试验、常规压水试验和室内试验,分析了裂隙岩体在高水头条件下渗透流量与压力关系所反映的岩体渗透特性变化规律;在定量计算基础上探讨了裂隙岩体渗透系数与压力的相互关系。通过对比高压压水试验、常规压水试验和室内试验得到的渗透系数,分析了环境应力状态和压力变化对渗透系数取值影响的原因。研究结果表明,高水头作用下裂隙岩体的渗透系数明显大于低水压条件下的渗透系数,室内试验渗透系数因应力解除影响而大于原位压水试验渗透系数值。     

淮南新集煤矿开采1＃煤层底板抗水压能力研究

淮南老矿区以及新集矿区煤层开采受到底板岩溶水的威胁,在开采的过程中采用限压开采,确定了一个限压开采的限压突水系数值。然而,通过对淮南矿区各种资料的详细分析,并在室内做了模拟煤层开采底板破坏的实验,得出了淮南矿区采用的限压突水系数值是比较保守的。通过分析软岩下的灰岩与软岩互层也可以作为相对隔水层,试验现象表明软硬岩互层有相互保护的作用,减小了变形破坏的深度。     

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。     

剪胀对复杂裂隙岩体渗透性影响的离散元分析

裂隙岩体流固耦合问题是目前国内外研究热点之一,采用离散元软件UDEC对裂隙岩体发生节理剪胀的渗透性变化规律进行了模拟分析。基于现场调查的裂隙信息统计生成裂隙网络岩体模型。 通过固定垂直应力、不断增加应力比RS(RS=水平应力/垂直应力)使岩体出现剪胀,采用库伦滑移节理模式对岩体在剪胀过程中的渗透性变化情况进行模拟。结果发现：当应力比较小(RS3.1)时,节理水力隙宽、流速、渗透系数等参数都随着应力比的增加表现出明显的降低; 而当岩体出现剪胀现象之后(应力比大于3.1),发生剪切滑移和剪胀现象的节理控制着裂隙岩体的总体渗流行为,与不考虑节理剪胀的计算结果相比,岩体渗透能力出现了显著增长。这一结果表明,剪胀对裂隙岩体渗透性的影响是显著而不可忽视的。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。     

差异风化型危岩力学模型及破坏机制研究

差异风化型危岩多形成于由砂岩和泥岩等软、硬岩性组成的互层陡倾岩质边坡中,其崩塌破坏属地质灾害中的常见形态。以普洱渡危岩高边坡为例,推导出差异风化型危岩岩腔后壁泥岩压应力随岩腔深度增加而增大的计算公式。据普洱渡危岩高边坡地形地貌和地质构造特征建立了两类4种差异风化型危岩力学模型：第1类为主控结构面贯通率等于1时的泥岩基座压裂破坏型和转动破坏型危岩;第2类为主控结构面贯通率小于1时的坠落型和倾倒型危岩。利用岩石强度理论推导出研究区砂岩的二次抛物线型摩尔强度包络方程,以极限平衡理论和摩尔强度理论推导了4种危岩体在自重、地震力和裂隙水压力共同作用下的崩塌破坏判别表达式,并由此反演出危岩体的临界崩塌边界方程,得出危岩体崩塌边界（岩腔深度、危岩体厚度和高度、主控裂隙深度）之间的关系,为现场预测和判别危岩体的稳定性和崩落时序提供简便可靠的依据。     

危岩裂隙水压力修正计算方法

“暴雨状态的裂隙水压力是危岩防治工程设计的控制性荷载”是人所共识的,但“静水压力公式究竟能否直接用于确定危岩裂隙水压力”却是三峡库区地质灾害科技工作者多年来一直关心的重要问题之一。本文通过72组裂隙水压力室内模型试验,对比分析了应用压力计直接测定的裂隙水压力和根据测压管读数由静水压力公式计算的裂隙水压力之间的差异,用到静水压力公式计算危岩裂隙水压力比实际值大30％-50％;通过对静水压力公式引入折减系数,建立了适用于压剪-滑动型危岩和拉剪一倾倒型危岩裂隙水压力的计算式,并建立了折减系数计算方法。所建立的危岩裂隙水压力计算方法的实用性界定在主控结构面开度在0．2～2．0cm之间。     

基于热-水-力-损伤耦合数值模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性

针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。通过与物理模型试验结果对比,验证了模型的可靠性,进而利用该模型推演了高地温水工高压隧洞的多物理场耦合演化过程,分析了不同影响因素下的承载特性。研究结果表明：隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响;温度梯度、内水压力以及岩体线膨胀系数越大,隧洞围岩的损伤程度与开裂深度越大;当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,洞周出现的宏观裂缝较多,且出现方位不确定;当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,洞周出现的宏观裂缝相对较少,且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上。常规锚喷支护对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳。     

充水节理岩体中大断面隧洞开挖的数值模型研究

采用非饱和的渗流应力耦合模型分析了糯扎渡水电站2#导流洞的开挖过程,导流洞部分洞身穿过节理带,洞顶水头较高。详细地讨论了高水头和节理带对施工过程的影响。节理带采用描述高密度平行节理组的各向异性节理本构来逼近;考虑开挖引起的介质变形对渗透系数的影响;考虑排水引起的饱和度变化对渗透系数的影响。所用的非饱和瞬态耦合模型可以模拟出开挖引起的EDZ区域孔隙水压力急剧升高、有效应力减小、渗透系数动态的变化以及排水对洞室稳定性的提高。数值模拟的计算结果与国外类似试验的一般性观测结论相吻合,因此,可以用来评价水位以下隧洞施工方法和施工速度的合理性和经济性。     

地应力对低渗透性岩体的渗透率影响分析

近年来, 水电站库区渗漏、核废料深地质处置、CO2地质储存、输油管道渗漏、垃圾填埋造成的地下水灾害及污染等倍受关注, 而这些工程的安全性、可靠性与低渗透性岩体关系密切。针对这一问题, 本文采用水压致裂法测地应力、压水试验测岩体渗透率的方法, 对低渗透性页岩进行了试验研究, 结果表明: (1)研究区地应力值随着孔深呈递增趋势, 符合地应力的一般分布规律; (2)研究区低渗透性岩体的透水率随深度的增加而逐渐减小, 且0～100m, 透水率变化较大, 100～400m, 透水率变化较小, 而400～600m时, 岩体透水率则基本保持在一个相对稳定的数量级上, 回归分析知研究区岩体透水率与孔深具有较好的负冥指数关系; (3)研究区低渗透性岩体渗透率与地应力总体上服从负指数关系, 但不同点的地应力对岩体渗透率的影响具有一定差异性。这与国内外其他学者的研究结果一致, 这为该地区进一步研究低渗透性裂隙岩体渗流规律奠定了基础。