岩石结构面力学及水力特性实验研究

发布时间：2018-03-09 13:06

  本文选题：岩石结构面　切入点：三维形貌参数　出处：《武汉大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：岩体是由众多规模不一、产状各异的结构面以及这些结构面切割形成的形状各异,块堵不等的岩块共同组成的地质体,因此,岩体在荷载作用下的变形也主要由岩块的变形和结构面的变形共同组成。岩块相比结构面一般较为坚硬,岩体变形主要发生在结构面中。结构面的法向变形和切向变形可能导致结构面的闭合,张裂,萌生和扩展,从而引起岩体裂隙网络和结构特征的变化。岩体的渗流在本质上也受岩体结构面的控制,结构面的变形和岩体结构特征的变化将引起岩体渗透特性的变化,从而表现出岩体渗透特性对岩体变形和应力状态的依赖关系。综上,结构面的存在显著地影响着岩体的力学、热力学及流体力学等工程特性。结构面的力学特性、水力特性及热力学特性等是岩石力学的基本科学问题。本文紧密围绕岩体力学及水力特性的这一课题,采用理论分析、数值模拟,试验相结合的研究方法,分别对岩块及结构面的力学及水力特性进行研究。论文的主要研究内容如下： 1.系统总结了关于结构面三维形貌参数的理论研究成果,通过分析结构面室内形貌测量和剪切试验数据,以结构面有效剪切倾角加权平均值和最大可能接触面积比作为结构面三维形貌参数,分析岩石结构面试件形貌特征,研究了结构面三维形貌参数的各向异性规律及形貌参数随剪切次数的变化规律,对比分析了花岗岩和红砂岩结构面表面形貌参数变化规律。 2.基于水泥砂浆复制结构面直剪试验结果,建立了结构面三维抗剪强度经验模型,通过对比岩石结构面试验结果,对模型进行了修正。为了研究多次剪切过程结构面抗剪强度变化规律,采用花岗岩和红砂岩两类结构面试件各五组进行室内结构面剪切试验,对两类结构面试样分别进行五级常法向荷载条件下的结构面剪切试验,同时对每级法向荷载条件下的试件进行多次剪切试验,剪切次数为四次,每次剪切10mm,同时对每次剪切前结构面的形貌进行测量。基于试验结果,分析了结构面多次剪切过程中抗剪强度的衰减规律及三维形貌对其影响,研究了剪切次数、抗剪强度及形貌参数的定量关系,建立了结构面多次剪切抗剪强度经验模型。最后,采用PFC3D软件对结构面形貌影响其剪切强度的规律进行了数值模拟研究。 3.利用三轴耦合试验机进行了粗砂岩不同围压条件下变形破坏过程渗透性试验,分析了粗砂岩变形及破裂过程渗透性的变化规律,研究了围压对粗砂岩渗透性的影响,探讨了试样变形过程渗透性与体积应变的关系。研究表明：试样在变形破坏过程中,渗透性对环向应变的变化更为敏感。围压越大,粗砂岩渗透性变化曲线的峰值及峰后残余值越小,渗透性-应变过程曲线越平缓。基于多孔介质理论的质量守恒方程得到孔隙率与体积应变的关系式,采用Kozeny-carman方程研究了粗砂岩变形过程中渗透性与体积应变的关系。 4.系统总结了已有岩石结构面剪切渗流耦合室内试验的研究,通过对剪切盒封水系统的改进,研制了JAW-1000型岩石单结构面剪切渗流耦合试验系统。该系统剪切盒的封水系统主要通过采用进、出水口的聚氨酯垫块和剪切盒侧板的聚氨酯密封囊实现。应用试验系统,初步进行了花岗岩结构面试件常法向荷载和常法向刚度两种条件下的剪切渗流耦合试验,试验结果验证了试验系统的可靠性。试验结果表明：在花岗岩结构面的剪切渗流耦合试验中,结构面的剪切应力,法向位移及水力开度均呈现两阶段的变化规律。随着剪切次数的增加,结构面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,结构面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。
[Abstract]:The rock mass is composed of many sizes, structural plane and the surface structure of different cutting shapes formed, ranging from rock block wall composed of geological body, therefore, under load deformation of rock is mainly composed of deformation and structure of the rock deformation factors. Compared with the structure of rock the surface is generally hard rock deformation occurred mainly in the surface structure. The normal deformation and shear deformation may cause the structure to the closure, crack initiation and propagation, causing changes in fracture network of rock mass and structure characteristics of the rock mass. The seepage is controlled by the structural planes of rock mass in nature, changes in the structure of the deformation and the characteristics of rock mass structure will cause the change of permeability in rock, thus showing rock permeability of rock mass deformation and dependence of stress. In conclusion, the existence of the structure significantly affects the rock The characteristics of engineering mechanics, thermodynamics and fluid mechanics. The mechanical characteristics of the structure, hydraulic characteristics and thermodynamic characteristic are the basic scientific problems of rock mechanics. This paper closely around the rock mechanics and hydraulic characteristics, using theoretical analysis, numerical simulation and test research of test method combining, respectively to study rock block and structure of the mechanical and hydraulic characteristics. The main research contents of this paper are as follows:
1. summarized about the structure of 3D morphology parameters of the theoretical research results, through the analysis of structural surface topography measurement and indoor shear test data, the structure of surface effective shear angle weighted average and maximum possible contact area ratio as the structure of 3D morphology parameters, rock structure analysis interview morphology, variation regularity and anisotropic morphology study on the structure parameters of 3D morphology parameters with the shear number, by analyzing the changes of granite and red sandstone structure surface topography parameters.
2. based on cement mortar copy joint straight shear test results, established the 3D structure of shear strength of rock structural plane model, by comparing the experimental results, the model was corrected. In order to study the multiple shear process of the shear strength variation, the granite and red sandstone in two specimens of each group were five the interior structure of the shear test, the structure of two types of interview samples respectively five constant normal load conditions of the structure of the shear test, several shear tests for each grade of normal loading conditions of shear specimens, four times, each time 10mm at the same time of structural plane shear, shape measurement of each shear before. Based on the experimental results, analyzed the influence of attenuation of shear strength of structural plane several times during shearing and 3D morphology of the studied shear number, quantitative shear strength and morphology parameters The empirical model of shear strength for multiple shear planes of structural planes is established. Finally, the rule of the shear strength of structural surfaces affected by the structure surface is numerically simulated by PFC3D software.
3. using three axis coupling testing machine of coarse sandstone under different confining pressures deformation and failure process of permeability test, the deformation and fracture process of coarse sandstone permeability analysis of confining pressure influence on permeability of sand rock, discusses the relationship of permeability deformation and volumetric strain studies. Sample: in process of deformation and failure, the permeability of the circumferential strain is more sensitive to the change. The greater the confining pressure, the peak value and the peak of sandstone permeability change curve of residual value is small, the permeability strain curve more gently. Relation between the mass conservation equation of porous media porosity and volume theory the strain was obtained based on the relationship between permeability and volume strain using Kozeny-carman equation of coarse sandstone during deformation.
4. summarizes the existing research of rock structural plane coupled shear flow test, through the improvement of the shear box sealing water system, developed the JAW-1000 type rock shear seepage coupling test system. The system of water sealing shear box is mainly through the use of polyurethane, polyurethane pad outlet and shear box plate sealing bag. Application of the test system, the preliminary interview a granite structure constant normal load and constant normal stiffness of the coupled shear flow test under the two conditions, the test results verify the reliability of the test system. The test results show that: in the granite structure of the coupled shear flow test, shear surface the normal force, displacement and hydraulic opening showed a variation in the two stage. With the increase of the shear number, the peak value of shear stress and residual value decreased, dilatancy point delay, The initial hydraulic opening of the structural plane is greatly improved, and the normal displacement and the hydraulic opening curve gradually tend to be gentle.

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU45

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘继顺;岩石结构面产状确定有重大突破──岩心定向新技术[J];西部探矿工程;1995年04期

2 刘连峰,王泳嘉;三维节理岩体计算模型的建立[J];岩石力学与工程学报;1997年01期

3 白红杰;陆文;肖正学;韦爱勇;刘克辉;;岩石结构面抗剪强度方向性模拟研究[J];矿业研究与开发;2007年06期

4 朱林;;浅析岩石结构面抗剪强度影响因素[J];湖南工程学院学报(自然科学版);2010年01期

5 陆文;肖正学;白红杰;刘克辉;;岩体节理面抗剪强度的方向性模拟试验研究[J];金属矿山;2009年S1期

6 夏才初;岩石结构面的表面形态特征研究[J];工程地质学报;1996年03期

7 石永泉;;依据测井成像资料确定岩石结构面产状[J];物探与化探;2010年03期

8 韩立军;宗义江;韩贵雷;张后全;;岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究[J];岩土力学;2011年09期

9 J.P.Seidel;杨锋;;能量原理在确定岩石节理抗剪强度方面的应用[J];宝石和宝石学杂志;1997年01期

10 何秉顺;丁留谦;孙平;;三维激光扫描系统在岩体结构面识别中的应用[J];中国水利水电科学研究院学报;2007年01期

相关会议论文 前10条

1 黄曼;杜时贵;罗战友;贾汝达;;模拟岩石结构面孔隙率影响因素的试验研究[A];和谐地球上的水工岩石力学——第三届全国水工岩石力学学术会议论文集[C];2010年

2 徐继先;;岩体结构面三维随机模拟与岩体块度计算[A];第二届全国工程地质力学青年学术讨论会论文集[C];1992年

3 潘别桐;井兰如;;岩体结构概率模型模拟和应用[A];岩石力学新进展[C];1989年

4 马超锋;李晓;成国文;蒲丛林;;工程岩体完整性评价的实用方法研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届（2010年度）学术年会论文集(下)[C];2011年

5 谢卫红;朱波;谢永亮;庄惠平;张伟;;岩石结构面粗糙面的分形模拟与光弹试验研究[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2001年

6 张林洪;;岩体力学参数的确定[A];岩土力学数值方法的工程应用——第二届全国岩石力学数值计算与模型实验学术研讨会论文集[C];1990年

7 张广健;张思俊;;随机块体理论及其在隧洞工程中的应用[A];工程结构可靠性——中国土木工程学会桥梁及结构工程学会结构可靠度委员会全国第三届学术交流会议论文集[C];1992年

8 杜景灿;陈祖煜;弥洪亮;汪小刚;贾志欣;;岩体结构面三维网络的计算机模拟[A];2002年中国西北部重大工程地质问题论坛论文集[C];2002年

9 井兰如;;岩体结构面随机网络及其在离散单元法、渗流计算以及块体分析理论中的应用[A];第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集[C];1986年

10 伍法权;徐嘉谟;;岩体工程地质力学理论与方法研究现状与展望[A];2009—2010岩石力学与岩石工程学科发展报告[C];2010年

相关重要报纸文章 前1条

1 本报通讯员 赵祥兵 李志民;为民心工程稳固根基[N];地质勘查导报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 王小江;岩石结构面力学及水力特性实验研究[D];武汉大学;2013年

2 贾蓬;基于强度折减法的结构面影响下隧道围岩破坏机理数值试验研究[D];东北大学;2008年

3 朱福巍;节理岩体细观损伤模型的理论研究与数值方法[D];北京交通大学;2011年

4 宋琨;花岗片麻岩体渗透特性及水封条件下洞库围岩稳定性研究[D];中国地质大学;2012年

5 程强;红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究[D];西南交通大学;2008年

6 吴琼;复杂节理岩体力学参数尺寸效应及工程应用研究[D];中国地质大学;2012年

7 王胜;锦屏一级水电站左岸抗力体地质缺陷及加固处理技术研究[D];成都理工大学;2010年

8 魏玉峰;白鹤滩水电站多层位复杂介质坝基岩体结构特征及岩体质量分级研究[D];成都理工大学;2010年

9 袁进科;斜坡震裂岩体结构特征与震后崩塌识别体系研究[D];成都理工大学;2012年

10 冷彪;基于数码成像的隧道掌子面地质信息系统研究[D];西南交通大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 卡毛措;大型地下洞室结构面空间预测及其应用[D];兰州大学;2012年

2 吴乐文;岩石结构面注浆前后力学特性研究[D];江西理工大学;2012年

3 施星波;基于三维激光扫描数据的岩体结构面产状识别方法研究[D];中国地质大学（北京）;2010年

4 雍睿;室内岩体结构面抗剪强度参数取值方法研究[D];中国地质大学;2011年

5 王晓明;裂隙化岩体渗流特征及涌水量数值模拟[D];长沙理工大学;2010年

6 朱云福;基于三维激光扫描数据的岩体结构面识别方法研究及系统研制[D];中国地质大学(北京);2012年

7 邹静娴;雅砻江杨房沟水电站复杂地质环境条件及其对大坝工程稳定的控制作用研究[D];成都理工大学;2010年

8 文帆;花岗岩岩体结构面网络模拟及连通路径分析[D];南京理工大学;2013年

9 于天亮;岩体结构面信息数字识别及强度评价[D];东北大学;2009年

10 王剑晨;爆破对隧道围岩稳定性的影响[D];北京交通大学;2010年

，

本文编号：1588661