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循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究

作　者: 郭保华
导　师: 尤明庆
学　校: 河南理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 岩石力学岩石裂隙循环加载法向闭合渗流
分类号: TU452
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

岩石单裂隙的变形和渗流特征是岩体裂隙渗流的基础工作。论文采用RMT150试验机、GCTS直剪仪、UCT-2蠕变仪及辐射流渗流装置,对含有人工裂隙的岩石试样进行循环加载条件下单裂隙变形和渗流的试验,研究法向、剪切循环加载下岩石裂隙的法向变形和法向应力下岩石裂隙的渗流特征,得到如下认识。(1)对完整、含水平及竖直裂隙的三组岩样(每组6个)进行常规三轴压缩及循环加载试验,发现水平或竖直裂隙对岩样变形影响较大,对强度影响较小。(2)粗糙度是研究裂隙变形和渗流的重要参数,通过测量剖面线高度得到了7种岩样128条裂隙剖面线的粗糙度参数,并分析了节理粗糙度系数JRC、粗糙角i、粗糙轮廓指数Rp及分维D之间的关系。(3)对5组86个单裂隙试样进行法向压缩,得到法向应力-闭合曲线。提出了闭合度概念,分析了经典指数模型、BB双曲线模型、周建民幂函数模型、修正指数模型及Swan指数模型对法向应力-闭合曲线的拟合精度及参数特征,并进行了粗糙度、自然风化及溶液浸泡的影响分析。(4)将完整岩样循环加载曲线划分为滞回稳定、前移、后移三种类型,分析了不同应力水平下循环加载过程中完整岩样和裂隙岩样的能量耗散特征,得到了加卸载总闭合量与循环次数的指数函数关系。以加卸载曲线均通过(0,0)和(σmaxi, bmaxi)为已知条件,推导了双曲-幂函数模型,得到了加卸载曲线的初始刚度和最大隙宽与循环次数的指数函数关系,由此可确定每个循环的加卸载曲线。(5)分析了循环剪切过程的分段特征和法向变形机理,认为法向变形与岩石裂隙面强度、粗糙度和法向应力水平有关,较好解释了煤岩裂隙(9个试样)及人工岩石裂隙(16个试样)的直剪试验结果。(6)根据多级加载下岩石裂隙法向蠕变曲线,提出了岩石裂隙多级加载下的蠕变机理,分析了渗流裂隙的蠕变特征,流体的冲刷排屑对蠕变有重要影响。(7)建设了多级加载下裂隙渗流试验系统,对5组10块裂隙岩样进行了19次辐射流方式的渗流试验。小隙宽范围内的裂隙渗流随法向闭合依次存在群岛流、过渡流和沟槽流三个阶段。啮合裂隙渗流多处于后两个阶段,而含垫片裂隙渗流处于前两个阶段。单水头流量与法向应力呈指数函数关系,受应力历史影响较大;与力学隙宽存在较好的次立方关系,其指数平均值为2.43。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-12
1 引言  12-30
  1.1 选题依据和实用价值  12-13
  1.2 岩体裂隙变形的研究现状  13-18
    1.2.1 含裂隙岩体的强度和变形  13-14
    1.2.2 岩石裂隙的法向变形规律  14-15
    1.2.3 岩石裂隙的剪切变形规律  15-18
  1.3 岩体裂隙渗流的研究现状  18-26
    1.3.1 岩体裂隙渗流模型  18-19
    1.3.2 粗糙度分类与描述  19
    1.3.3 隙宽的概念与测量  19-22
    1.3.4 隙宽分布的几何模型  22
    1.3.5 裂隙渗流的数学模型  22-23
    1.3.6 裂隙渗流-应力耦合关系  23-24
    1.3.7 曲折流与沟槽流  24-25
    1.3.8 影响裂隙渗流的其他因素  25-26
  1.4 有待进一步研究的问题  26-27
  1.5 研究内容与研究思路  27-30
    1.5.1 研究内容  27-28
    1.5.2 研究思路  28-30
2 岩样裂隙的法向闭合参数分析  30-64
  2.1 裂隙岩样的强度和变形  30-35
    2.1.1 岩样加工及试验方法  30-31
    2.1.2 试验结果分析  31-33
    2.1.3 岩样的破坏模式  33-35
  2.2 岩样裂隙面粗糙度分析  35-44
    2.2.1 岩样准备及测量方式  36-38
    2.2.2 JRC 大小特征及与粒径的关系  38-39
    2.2.3 JRC 与粗糙轮廓指数Rp的关系  39
    2.2.4 JRC 与粗糙角i 的关系  39-41
    2.2.5 JRC 与分维D 的关系  41-43
    2.2.6 JRC 及分维D 的尺寸效应  43-44
  2.3 首次加载下岩样裂隙法向闭合曲线的拟合  44-52
    2.3.1 岩样准备与实验过程  45-46
    2.3.2 法向闭合曲线的拟合分析  46-48
    2.3.3 拟合参数的分析  48-50
    2.3.4 法向闭合曲线形状特征分析  50-52
  2.4 主要拟合参数及 JRC、pH 影响分析  52-61
    2.4.1 首次加载闭合曲线的拟合参数  52-55
    2.4.2 裂隙面粗糙度的影响分析  55-57
    2.4.3 溶液浸泡及自然风化影响分析  57-61
  2.5 本章小结  61-64
3 循环加载下裂隙闭合本构模型  64-96
  3.1 岩石的能量耗散概念  64-66
  3.2 完整岩样循环加载的能量与变形分析  66-73
    3.2.1 岩样基本参数  66
    3.2.2 完整岩样循环加载的滞回类型  66-68
    3.2.3 完整岩样循环加载的能量分析  68-70
    3.2.4 完整岩样循环加载的应变分析  70-73
  3.3 循环加载下裂隙闭合能量与变形分析  73-79
    3.3.1 循环加载裂隙闭合的能量特征  76
    3.3.2 节理面粗糙度系数 JRC 的影响  76-78
    3.3.3 浸泡与风化作用的影响  78
    3.3.4 裂隙岩样循环加载的滞后变形  78-79
  3.4 循环加载下裂隙闭合的本构模型  79-95
    3.4.1 循环加载曲线后移的机理  80-83
    3.4.2 岩样准备与试验曲线  83
    3.4.3 循环加载的加卸载累计闭合量分析  83-84
    3.4.4 循环加载曲线形状分析  84-87
    3.4.5 加卸载曲线的本构建立  87-93
    3.4.6 拟合曲线与试验曲线的对比  93-95
  3.5 本章小结  95-96
4 循环剪切过程中岩样裂隙的法向变形  96-120
  4.1 试验设备及岩样加工  96-100
    4.1.1 直剪试验设备简介  96-97
    4.1.2 直剪试验操作软件  97-98
    4.1.3 岩样基本参数  98-100
  4.2 循环剪切过程的分析  100-108
    4.2.1 主要参数与剪切时间的关系  100-101
    4.2.2 剪切变形的分段特征  101-104
    4.2.3 剪切过程法向变形的机理分析  104-108
  4.3 煤岩结构面的循环剪切特征  108-113
    4.3.1 不同控制方式下原生煤岩结构面剪切特征  108
    4.3.2 法向刚度对剪切过程法向变形的影响  108-109
    4.3.3 常刚度下初始法向应力对剪切特性的影响  109-111
    4.3.4 主要参数与循环次数的关系  111
    4.3.5 摩擦系数峰值与循环次数的关系  111-113
  4.4 含构造裂隙面剪切特征  113-118
    4.4.1 含薄夹层或斑块裂隙的剪切特征  113-115
    4.4.2 含宏观构造裂隙的剪切特征  115-117
    4.4.3 软岩裂隙的剪切特征  117-118
  4.5 本章小结  118-120
5 岩样裂隙的蠕变与渗流分析  120-152
  5.1 完整及裂隙岩样的蠕变试验  120-126
    5.1.1 岩石蠕变的经验公式  120-121
    5.1.2 完整岩样及裂隙岩样的蠕变机理分析  121-123
    5.1.3 蠕变试验仪及试验岩样  123-124
    5.1.4 多级加载下裂隙岩样的蠕变  124-126
  5.2 啮合岩石裂隙的渗流  126-144
    5.2.1 实验方法及岩样加工  127-128
    5.2.2 岩样裂隙的渗流通道形式  128-132
    5.2.3 裂隙渗流的雷诺数特点  132-135
    5.2.4 裂隙渗流中的蠕变现象  135-138
    5.2.5 单水头流量与法向应力的关系  138-140
    5.2.6 单水头流量与力学隙宽的关系  140-142
    5.2.7 水力隙宽与力学隙宽的关系  142-144
  5.3 含垫片岩石裂隙的渗流  144-148
    5.3.1 法向应力增加过程中的水头变化  144-145
    5.3.2 法向应力增加过程中的隙宽变化  145-146
    5.3.3 法向应力增加过程中的雷诺数变化  146
    5.3.4 单水头流量与法向应力的关系  146-147
    5.3.5 单水头流量与力学隙宽的关系  147
    5.3.6 水力隙宽与力学隙宽的关系  147-148
  5.4 关于裂隙渗流试验结果的讨论  148-149
  5.5 本章小结  149-152
6 结论与展望  152-154
  6.1 结论  152-153
  6.2 展望  153-154
参考文献  154-175
作者简历  175-177
学位论文数据集  177

循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究

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