结构面剪切-渗流耦合特性及其充填物作用影响的试验研究

发布时间：2020-10-12 15:51

　　结构面是天然岩体中的弱面,其表面的持续风化和临近地表物质的原位沉积是结构面充填物的两大来源。充填物不仅会影响岩体结构的强度和工程稳定性,还会改变结构面的渗流特性,因此对不同充填性质影响下结构面剪切-渗流耦合特性的研究有助于对工程岩体稳定性的评价。本文通过自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了常法向应力条件下充填物性质对类岩石材料结构面剪切-渗流耦合特性影响的试验研究。同时利用三维光学扫描技术采集了上下结构面的点云数据,分析了充填材料、充填粒径、渗透水压等因素对结构面强度特性、变形特性、渗流特性及其三维形貌特征的影响,并结合结构面裂隙开度演化探讨了结构面在剪切破坏过程中的受力状态演化及其剪切-渗流耦合作用机制。取得的主要研究成果如下:(1)充填结构面的峰值剪应力和法向位移从充填石膏、岩屑到黄泥依次递减,受充填物强度影响较大;无充填结构面的JRC整体减小且变化最为显著,充填石膏、岩屑结构面的JRC变化次之,充填黄泥结构面的JRC几乎没有变化;充填物破坏和结构面磨损主要受裂隙开度演化和局部应力集中的影响,在裂隙开度较小的区域应力分布较大,结构面和充填物易沿此处磨损破坏;(2)充填粒径越大,颗粒的破碎性和压缩性就越大,则结构面的峰值剪应力和法向位移就越小,剪胀效果越来越不明显;(3)随着渗透水压的增大,结构面的峰值剪应力和法向位移越来越小,相应的渗流流量越来越大;充填岩屑、黄泥结构面比充填石膏结构面对渗透水压的变化更为敏感;在较大渗透水压下,充填不同物质结构面的峰值流量接近;(4)充填结构面与流体具有双向耦合作用。在特定充填厚度下,充填结构面主要通过改变结构面裂隙开度和充填物的裂隙发育来影响结构面的渗流特性,水通过软化和冲蚀作用削弱充填结构面的力学性质;在剪切-渗流过程中,流体压力会促进充填物内微裂隙的发育,渗流通道的扩展贯通又会加速充填物的软化。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

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技术路线图

充填结构,岩体,试件,充填物

(d) 试件全貌图 2.1 含无充填结构面类岩体试件的制作Fig 2.1 Preparation of rock specimen with unfilled joint填结构面类岩体试件的制作面分类[67]，试验选取石膏、岩屑和黄泥作为充填物来件。其中石膏为《建筑石膏》GB/T9776—2008 标准规材料所得，黄泥采自重庆歌乐山须家河组地层。对采材料分别进行烘干、破碎、研磨成粉、粒径筛分等处充填物质。制取含充填结构面类岩体试件主要采用控进行试件准备，如图 2.2 所示。首先采用湿式填充的：水=3：1 的质量比混合制取充填块体。充填物与水混塑性和流动性，因此可以在压制过程中均匀地充填于整构面类岩体试件时，将充填物涂抹在上下结构面间，对位置并夹紧，然后放置于加压设备上，使其在法向

充填结构,岩体,试件,渗流耦合

12(c) 含无充填和充填石膏、岩屑、黄泥结构面类岩体试件图 2.2 含充填结构面类岩体试件的制作Fig 2.2 Preparation of rock specimen with infilled joint试验系统① 煤岩剪切-渗流耦合试验装置试验采用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置，由伺服控制加载系统、流体源加载系统、剪切盒及其密封系统、控制与数据采集系统等部分组成，如图 2.3所示。该装置可以实现最大 300 kN 的法向载荷和切向载荷、最大 20 mm 的剪切位移，位移精度为 0.005 mm/min。剪切过程中，控制与数据采集系统会自动读取 6个位移传感器 LVDT 的读数，并传送信息到计算机软件进行实时监测。位移传感器采集频率为 0.1s/次。在剪切位移达到 10 mm 后停止剪切，卸载法向应力和剪应力。
【参考文献】

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