饱和花岗岩力学特性及峰后非线性渗流试验研究

发布时间：2018-03-12 16:41

本文选题：饱和花岗岩　切入点：应力-应变曲线　出处：《南昌大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降。花岗岩具有高密度、低孔隙率、岩性致密和强度高等优点,因此在高水头抽水蓄能电站、页岩气开采、地下水封油库、高放核废料地质处置等大规模工程建设中起着重要作用。地下采矿工程、大型水利水电工程和核废料处理等工程建设活动造成围岩在开挖、采动应力的作用下处于峰后破碎状态,恶化工程基岩附近岩体的赋存环境,极大地改变了岩体的渗透率和渗透特性,导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。大量的研究表明在高应力、高渗压作用下破碎岩体内流体流速和压力梯度不再满足线性达西方程,流体的渗流行为表现明显的非线性行为,继续采用达西定律研究破碎岩体的渗流问题,将带来较大误差,将严重影响工程安全评价。为此采用Triaxial Cell三轴试验系统开展阳江饱和花岗岩试验,对饱和花岗岩峰前力学特性进行研究分析,并进一步探讨峰后破碎花岗岩的非线性渗流特性随水力梯度和围压的变化规律,分析非线性渗流的物理成因机制。在此基础上,探讨峰后破碎花岗岩非线性渗流表征公式的适用性及其相关参数随围压的变化规律。主要研究内容与成果如下:(1)通过X射线衍射仪和偏光显微镜,对花岗岩矿物组成和细观结构进行鉴定分析,花岗岩主要以长石、石英两种矿物为主,岩石质地致密,结晶性良好,具有较完整的矿物颗粒,矿物颗粒接触紧密,仅有少量的穿晶微裂纹。除少数较明显的裂纹外,花岗岩内各个方向的微裂纹随机发育,呈现明显的各向同性特征。(2)通过开展饱和花岗岩和非饱和花岗岩三轴压缩试验,发现饱和花岗岩应力-应变曲线在变形破坏过程可以划分为初四个阶段,根据岩石体积应变和裂纹体积应变与轴向应变的关系曲线的拐点确定饱和花岗岩各阶段对应的应力阈值;饱和花岗岩闭合强度相对于非饱和花岗岩闭合强度有较大提高,峰值强度有所降低,闭合阶段在变形破坏中经历更长的过程;结合饱和花岗岩的破碎形态和岩石变形破坏过程曲线,分析可能的原因。采用能量原理对饱和花岗岩在变形破坏过程中的能量演化机制进行研究,在峰值强度?c强度之前,岩石吸收的总能量增长较快,弹性应变能增长幅度较大,外力所做的功主要以弹性应变能的形式储藏在岩石内部。在峰值强度以后,岩石总能量增长变缓,弹性应变能快速减小。基于岩石能量破坏准则可知,当弹性应变能达到0.722~0.764 MJ?M就可认为饱和花岗岩失去承载力。(3)开展不同围压下(1.0-30.0 MPa)阳江峰后破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。破碎花岗岩渗流流态呈现出显著的非线性流动特征,并出现渗流流量增张出现高于和低于线性达西流两种情况。流量增长低于线性的非线性渗流特征可用Forchheimer公式很好的描述,固有渗透系数k与非线性项系数B可用幂函数很好的表征,进一步引入福希海默数F0判别水流动的状态,发现破碎花岗岩的临界水力梯度Pc随着围压的增加整体上呈现减小的趋势且均在10 MPa/m以下。对于流量增长高于线性的非线性渗流特征,分别采用二次函数型Forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征碎裂花岗岩的非线性渗流行为。其中,Forchheimer公式非线性系数表征了非线性渗流的惯性效应和渗透失稳机制,在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中碎裂花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则表征了低渗介质非线性渗流的固液界面效应,在量值上与围压之间存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。(4)以所建的牙根二级水电站工程三维有限元模型为基础,分别采用达西渗流有限元计算模型和非达西渗流有限元计算模型,对高水头作用下坝体渗流规律进行研究,计算结果表明:两个模型计算结果相差不大,均可应用于对水电站渗流稳定安全评估。
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【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV223;TV139.1

【参考文献】