渗压作用下岩石承载过程渗透特性及损伤演化机理研究

摘要

地下矿山、水利水电、地下隧道等工程岩体常处于应力场与渗流场的耦合环境中，一方面，人为扰动应力使围岩所处地应力场发生改变，诱发岩石变形和裂隙扩张，最终影响岩石的渗透特性；另一方面，受渗透压力的作用，岩体力学性质发生改变，并影响地应力分布，这种渗流与应力之间的相互影响称为渗流-应力耦合（Coupling of Seepage and Stress）。对于渗流-应力耦合作用下的岩体工程而言，受扰动应力后岩石材料内部裂隙的张开与闭合将导致岩石的体积扩容和压缩，并直接影响岩石的渗透及损伤演化特性。鉴于此，本研究对岩石开展恒定围压不同渗压下的三轴压缩试验，基于试验结果，分析应力-应变过程中岩石渗透率变化特性，并对岩石破裂面的宏观形态及微观形貌进行分析，探讨不同渗透压力下岩石损伤破坏机制，建立了基于Weibull分布的岩石分段统计损伤本构模型。 本研究得到主要结论如下： （1）渗透压力作用下，岩石各变形阶段的渗透率随渗压增大而逐渐增加；屈服阶段岩石渗透率则急剧增加；随渗压增大，渗透率变化曲线由“突跳”式逐渐向“渐变”式转化。 （2）渗透水压力能够降低岩石抵抗变形的能力，与轴向应变相比，径向应变对渗透压力变化的敏感性更强。 （3）受渗透压力的影响，岩石各应力特征值均出现不同程度的弱化。其中，渗透压力对闭合应力和启裂应力的弱化效果基本一致；扩容应力与峰值应力相比，峰值应力所受弱化效果更明显。 （4）分析不同渗压下渗透率与应力特征值的关联性，建立渗透率与偏应力之间的数学关系，并拟合得到各应力特征值与渗压之间的关联性方程。 （5）根据统计，岩石宏观破裂形态存与渗透压力密切相关，渗透压力较低时，岩石破裂面形态主要呈现单倾斜破裂面，破坏后岩样被分割成上下两个三角锥体；渗透压力较高时，岩样破坏受多条破裂面所控制，岩石试样破碎程度较高。 （6）SEM图像分析表明：渗压较低时出现的单倾斜破裂面主要由剪切破坏机制所致；渗压较高时，岩石破裂面主要由张拉和剪切破坏机制共同作用所致。 （7）基于Weibull分布，建立并改进了考虑渗透压力的分段统计损伤本构模型，对比模型的理论曲线与试验曲线可知，两者吻合度较好。

目录

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第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容及技术路线

第二章 不同渗压下岩石破坏过程渗透率变化规律

2.1 试样制备

2.2 渗透试验

2.3 试验结果分析

2.4 本章小结

第三章 岩石承载过程渗透率与应力特征值关联性分析

3.1 应力-应变特性分析

3.2 应力特征值计算与分析

3.3 渗透率与应力特征值关联性分析

3.4 本章小结

第四章 不同渗压下岩石破裂面形貌分析

4.1 岩石宏观破裂面形态统计

4.2 岩石破坏断口细观形貌

4.3 本章小结

第五章 不同渗压下岩石损伤演化机理研究

5.1 统计损伤本构模型

5.2 本构模型的修正

5.3 模型参数确定与验证

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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