深埋节理岩体渗流演化机理及工程应用
发布时间：2020-08-23 13:13
【摘要】：随着西部大开发等战略计划的不断实施,隧道、水利水电等工程建设重心逐渐向西部转移,西部岩溶区域水灾害频繁,涌突水成为制约工程发展的主要灾害之一。研究涌突水灾害的基础是岩体的渗流演化机理,而岩体经历长期的地质作用和人为扰动,内部孕育了各种节理等缺陷,因此,研究不同应力状态下节理岩体的渗流演化规律对揭示地下工程涌突水机理及防治和控制具有十分重要的意义。本文以深埋节理岩体为研究对象,综合采用物理模拟试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同地应力状态和不同水压力下岩体的渗流特性开展了一系列的研究,对相关工程的建设和涌突水防治具有一定的指导意义。(1)研制了可进行各向加载的大尺度岩体渗流物理模拟试验系统,包括主体承载装置、地应力伺服加载系统、气液复合承压水加载系统以及其他配套的辅助设备,系统最大地应力载荷达到6.0MPa,水压力载荷2.0MPa,模型体尺寸为300×300×1800mm。同时配制了可进行渗透性调节的流固耦合试验相似材料,为揭示复杂应力状态下地下岩体的渗流演化机理提供了新的试验设备、试验材料及相关方法。(2)对不同渗透性的均质岩体模型进行了渗流模拟试验,获得了岩体孔隙水压力随水压力和地应力的变化特征。不同应力状态下均质岩体内孔隙水压力随着扩散距离的增大而逐渐减小,均服从双曲线衰减规律;推导了最大扩散距离和最小保护层厚度的表达式,随着水压力的增大和地应力的减小,最大扩散距离和最小保护层厚度均逐渐增大;根据达西定律的微分形式,提出了计算均质岩体内部水力梯度的新方法,与传统计算方法相比,计算结果更符合实际渗流规律,并进一步分析了应力状态及材料渗透性对均质岩体水力梯度的影响规律。(3)在获得均质岩体渗流演化规律的基础上,对两种不同宽度的单一非贯通充填节理岩体进行了渗流模拟试验,研究了水压力、地应力及侧压力系数对单一节理渗流演化规律的影响。单一节理内孔隙水压力随着扩散距离的增大逐渐减小,且符合对数衰减关系;基于微分方法推导了单一节理内水力梯度的表达式,通过对比分析发现,传统计算水力梯度的方法对于定性描述节理岩体的渗透性能是具有一定道理的,而微分方法可以更加全面的反映节理岩体内部孔隙水压力的演化过程。(4)在总结和分析水对岩体力学性能的劣化作用的基础上,基于有限差分软件,提出了同时考虑水的渗透及渗透作用下岩体软化的耦合计算方法,并以六盘山隧道为例,重点考察了承压水压力、保护层厚度及含水层厚度对隧道围岩位移场、主应力分布及塑性区分布的影响规律,从而来揭示水渗透作用下深埋隧道的稳定性机制。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【图文】：
（c）围压 30MPa，渗透压 1MPa （d）围压 30MPa，渗透压 7MPa图 1-1 高围压高渗透压下砂岩应力、渗透率与应变的关系[94]gure 1-1 Relaitonship of stress and permeability of sandstone with strain under high confining presand high osmotic pressure陈秀铜和李志敬等[95-96]对高围压高水压下岩石的卸荷力学特性进行研究，结果压下岩石的粘聚力和内摩擦角均存在一定的劣化作用。张雪颖等[97]讨论了高围岩石在卸围压作用下的变形破坏特征及其能量机制。唐浩等[98]利用 MTS815 型刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验，揭作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性。蒋海飞等[99-104]分别对砂岩、大理岩等进行了高围岩高孔隙水压力作用下三轴，研究发现孔隙水压力可以有效增强轴向变形和横向变形的作用，高孔隙水压岩石的蠕变破坏更具有突然性，同时孔隙水压也可以增强岩石的时效变形能力刘欣宇等[105]对含充填裂隙类岩石进行高围压、高水压条件下的的渗透性试验现，不同充填裂隙试样的渗透系数不同，但不同围压下渗透系数均处于同一数量围压的升高，充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势。马占国等[106]对破碎煤体
室内岩样渗流试验时，通常可以进行不同围压不同水压力等状态下的全过程渗流测试，可以获得岩样两端压力差和渗透系数等的演化规律，但是岩样内部不同位置渗透压力的演化过程无法量测，只能采用达西定律定性反推，且岩样的渗透试验一般只能采用圆柱体标准试样，所谓的不同应力状态其实也是准三轴应力，这显然与地下工程岩体实际应力状态不符；采用数值计算进行渗流模拟时，不管是基于连续介质力学还是离散单元的模拟方法，水的渗流特征都需要进行人为假定，这就必然与实际流体流动规律存在差异。因此，研制可以进行复杂应力状态下的大型岩体渗流机制物理模拟试验系统一直是岩体渗流研究亟待解决的难题。本文首次设计研发了一种新的深埋岩体渗流机制模型试验系统平台，可以满足各向加载、不同水压力等情况下岩体的渗流试验分析，同时还配制了新的流固耦合模型试验相似材料，为地下工程岩体渗流演化机理研究提供了新的仪器及配套材料和方法。2.1 深埋岩体渗流机制模型试验系统研制 (Model Test SystemDevelopment of Deep Rock Mass Seepage Mechanism)2.1.1 研制目的及技术指标含水构造
1 岩体单元为研究对象，研制对应的深埋岩体渗流机制模型试杂应力状态、不同水压力及外界开挖扰动等条件影响下深埋岩程，以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试，进而应力场、水压力以及施工本身对深埋岩体稳定性的影响规律。体渗流机制模型试验系统主要技术指标如下：型尺寸：900mm×300mm×300mm×2；拟地应力最大荷载集度：6.0MPa；拟地应力荷载精度：±2.0%；压水荷载：0-2.0MPa；压水荷载精度：±5.0%；力荷载连续保持时间：＞48 小时。体渗流机制模型试验系统整体外观如图 2-2 所示，主要由模型主系统、气液复合承压水加载系统、以及辅助设备，如模型推送以及数据采集系统等组成。
本文编号：2801569
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【图文】：
（c）围压 30MPa，渗透压 1MPa （d）围压 30MPa，渗透压 7MPa图 1-1 高围压高渗透压下砂岩应力、渗透率与应变的关系[94]gure 1-1 Relaitonship of stress and permeability of sandstone with strain under high confining presand high osmotic pressure陈秀铜和李志敬等[95-96]对高围压高水压下岩石的卸荷力学特性进行研究，结果压下岩石的粘聚力和内摩擦角均存在一定的劣化作用。张雪颖等[97]讨论了高围岩石在卸围压作用下的变形破坏特征及其能量机制。唐浩等[98]利用 MTS815 型刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验，揭作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性。蒋海飞等[99-104]分别对砂岩、大理岩等进行了高围岩高孔隙水压力作用下三轴，研究发现孔隙水压力可以有效增强轴向变形和横向变形的作用，高孔隙水压岩石的蠕变破坏更具有突然性，同时孔隙水压也可以增强岩石的时效变形能力刘欣宇等[105]对含充填裂隙类岩石进行高围压、高水压条件下的的渗透性试验现，不同充填裂隙试样的渗透系数不同，但不同围压下渗透系数均处于同一数量围压的升高，充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势。马占国等[106]对破碎煤体
室内岩样渗流试验时，通常可以进行不同围压不同水压力等状态下的全过程渗流测试，可以获得岩样两端压力差和渗透系数等的演化规律，但是岩样内部不同位置渗透压力的演化过程无法量测，只能采用达西定律定性反推，且岩样的渗透试验一般只能采用圆柱体标准试样，所谓的不同应力状态其实也是准三轴应力，这显然与地下工程岩体实际应力状态不符；采用数值计算进行渗流模拟时，不管是基于连续介质力学还是离散单元的模拟方法，水的渗流特征都需要进行人为假定，这就必然与实际流体流动规律存在差异。因此，研制可以进行复杂应力状态下的大型岩体渗流机制物理模拟试验系统一直是岩体渗流研究亟待解决的难题。本文首次设计研发了一种新的深埋岩体渗流机制模型试验系统平台，可以满足各向加载、不同水压力等情况下岩体的渗流试验分析，同时还配制了新的流固耦合模型试验相似材料，为地下工程岩体渗流演化机理研究提供了新的仪器及配套材料和方法。2.1 深埋岩体渗流机制模型试验系统研制 (Model Test SystemDevelopment of Deep Rock Mass Seepage Mechanism)2.1.1 研制目的及技术指标含水构造
1 岩体单元为研究对象，研制对应的深埋岩体渗流机制模型试杂应力状态、不同水压力及外界开挖扰动等条件影响下深埋岩程，以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试，进而应力场、水压力以及施工本身对深埋岩体稳定性的影响规律。体渗流机制模型试验系统主要技术指标如下：型尺寸：900mm×300mm×300mm×2；拟地应力最大荷载集度：6.0MPa；拟地应力荷载精度：±2.0%；压水荷载：0-2.0MPa；压水荷载精度：±5.0%；力荷载连续保持时间：＞48 小时。体渗流机制模型试验系统整体外观如图 2-2 所示，主要由模型主系统、气液复合承压水加载系统、以及辅助设备，如模型推送以及数据采集系统等组成。
本文编号：2801569
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