结构面剪切-渗流耦合特性及其充填物作用影响的试验研究

摘要

结构面是天然岩体中的弱面，其表面的持续风化和临近地表物质的原位沉积是结构面充填物的两大来源。充填物不仅会影响岩体结构的强度和工程稳定性，还会改变结构面的渗流特性，因此对不同充填性质影响下结构面剪切-渗流耦合特性的研究有助于对工程岩体稳定性的评价。本文通过自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置，开展了常法向应力条件下充填物性质对类岩石材料结构面剪切-渗流耦合特性影响的试验研究。同时利用三维光学扫描技术采集了上下结构面的点云数据，分析了充填材料、充填粒径、渗透水压等因素对结构面强度特性、变形特性、渗流特性及其三维形貌特征的影响，并结合结构面裂隙开度演化探讨了结构面在剪切破坏过程中的受力状态演化及其剪切-渗流耦合作用机制。取得的主要研究成果如下： ①充填结构面的峰值剪应力和法向位移从充填石膏、岩屑到黄泥依次递减，受充填物强度影响较大；无充填结构面的JRC整体减小且变化最为显著，充填石膏、岩屑结构面的JRC变化次之，充填黄泥结构面的JRC几乎没有变化；充填物破坏和结构面磨损主要受裂隙开度演化和局部应力集中的影响，在裂隙开度较小的区域应力分布较大，结构面和充填物易沿此处磨损破坏； ②充填粒径越大，颗粒的破碎性和压缩性就越大，则结构面的峰值剪应力和法向位移就越小，剪胀效果越来越不明显； ③随着渗透水压的增大，结构面的峰值剪应力和法向位移越来越小，相应的渗流流量越来越大；充填岩屑、黄泥结构面比充填石膏结构面对渗透水压的变化更为敏感；在较大渗透水压下，充填不同物质结构面的峰值流量接近； ④充填结构面与流体具有双向耦合作用。在特定充填厚度下，充填结构面主要通过改变结构面裂隙开度和充填物的裂隙发育来影响结构面的渗流特性，水通过软化和冲蚀作用削弱充填结构面的力学性质；在剪切-渗流过程中，流体压力会促进充填物内微裂隙的发育，渗流通道的扩展贯通又会加速充填物的软化。

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