【摘 要】
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裂隙岩石作为地下工程建设中常见复杂介质,其渗透特性受应力影响显著。因此,开展复杂应力条件下裂隙岩石渗透演化规律试验研究对工程设计、施工及安全运行起着至关重要的作用。基于此,本文采用试验研究、理论分析和数值模拟的研究方法,根据完整岩石、规则裂隙和随机分布裂隙岩石三种试验方案,对红砂岩和泥岩开展了复杂应力条件下的渗透演化特性试验研究。首先,针对红砂岩开展了常规三轴力学试验和完整岩石渗透性试验,得到了相
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裂隙岩石作为地下工程建设中常见复杂介质,其渗透特性受应力影响显著。因此,开展复杂应力条件下裂隙岩石渗透演化规律试验研究对工程设计、施工及安全运行起着至关重要的作用。基于此,本文采用试验研究、理论分析和数值模拟的研究方法,根据完整岩石、规则裂隙和随机分布裂隙岩石三种试验方案,对红砂岩和泥岩开展了复杂应力条件下的渗透演化特性试验研究。首先,针对红砂岩开展了常规三轴力学试验和完整岩石渗透性试验,得到了相关物理力学参数和完整岩石的渗透率演化规律;其次,针对规则裂隙岩石开展了渗透性测试试验,获取了其渗透率在不同应力条件下的演化规律;最后,针对随机裂隙岩石开展了渗透性测试试验,掌握了各种复杂应力条件下其渗透率随应力变化的演化规律。着重分析了不同裂隙岩石的渗透演化规律,构建了考虑不同裂隙数量的裂隙岩石渗透率演化力学模型,由此开展了考虑渗透率演化的渗流数值模拟,验证了渗透率演化力学模型的正确性和有效性;系统掌握了裂隙岩石在复杂应力环境下的渗透演化规律。主要研究内容及结论如下:(1)通过常规三轴压缩试验获得试验岩样的基本力学参数,应力-应变曲线表现出明显的脆性特征,经历压密阶段、线弹性阶段,屈服阶段以及破坏阶段。围压对岩石力学参数以及应力-应变曲线有很明显的影响。完整岩石渗透性测试结果表明,渗透率-渗透压力曲线具有明显的阶段性特征,整个试验过程中岩样渗透率变化范围为10-16m~2~10-17m~2,不超过一个数量级;渗透率随静水压力升高而减小。轴压循环加卸载试验过程中,渗透率出现不可逆性损失。轴压对渗透率的影响明显要小于渗透压力、静水压力的影响。(2)对规则裂隙和随机分布裂隙岩石开展了复杂应力条件下的渗透性试验,试验结果认为渗流速度与水力坡降之间为线性关系,故其渗流为层流,符合线性达西定律。分析渗流试验结果发现,渗透压力-渗透率曲线符合指数函数关系,静水压力-渗透率曲线则符合负指数函数关系;通过轴压循环加卸载试验发现,加卸载过程中渗透率有不可逆性减小;变围压、轴压试验中,渗透率与轴压间存在负指数函数关系,且参数随围压变化。(3)基于孔隙-裂隙双重介质渗流理论,裂隙岩石的渗透率由裂隙渗透率和基质渗透率两部分组成,分析变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用,建立考虑裂隙数量、渗透压力、围压、轴压共同作用条件下的渗透率演化力学模型,并依据试验结果确定模型参数。(4)基于裂隙的空间特征及随机分布规律,采用Monte-Carlo方法生成随机裂隙网络模型;将渗透率演化力学模型通过Fish程序语言嵌入FLAC3D中,开展了试验条件下裂隙岩石渗透演化模拟研究,验证了模型的正确性;由此系统掌握了复杂应力条件下裂隙岩石的渗流演化规律。
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