高渗压下岩石(体)渗透及力学特性试验研究

摘要

为研究高水头压力作用下岩石(体)的渗透特性、破坏机制和力学特性,开发研制了大型岩石渗透试验仪器。依托该仪器,针对不同渗透、力学特性试样进行了较为系统的测试研究,取得了如下主要研究成果:(1)试验仪器方面实现了试样进水端水压在完全脱离计算机控制条件可长期保持不变;以精确测定渗出水体积变化量的方法进行流量精确测定;试样出水端水压采用管路过滤器、调速阀系统控制流量大小基本不变,实现了对高孔隙水压、小水力梯度的真实模拟。对计算机控制程序进行了改造升级,可通过实时曲线或历史曲线无限放大监控试验过程,根据实测数据变化特点可任意修改、加长操作命令而不影响整个试验过程,真正实现了高渗压条件可控的各种加、卸载路径试验测试研究。针对试样渗透性测试,提出了高水压下试样的密封以及方柱体试样、重塑试样高围压下渗透性测试方法。(2)详细阐述了高渗压下各种应力路径渗透、力学特性试验的具体操作方法,为室内渗透性及相关力学特性测试研究提出了一套行之有效的试验测试方法。(3)证实了低渗透岩非达西渗透现象是普遍存在的,根据其非线性曲线特点,按压力梯度从高到低顺序排序,提出以"三次平均法"进行拟启动压力梯度推算,并通过实例说明这种推算方法是可行的。(4)试验发现,不论孔隙性介质试样渗透性大小如何,围压升、降渗透性变化均处于同一数量级,说明渗透性越大的试样受围压条件的影响性就越大,且围压升、降过程渗透性变化主要受试样侧向弹塑性变形的影响。裂隙性岩体围压升、降后渗透性变化特点却完全不同,围压升高裂隙闭合,围压降低时并不能使闭合的裂隙渗流通道重新张开使渗透性增大。(5)提出在全应力–应变过程中,侧向应力是影响岩石(体)渗透性变化幅度大小的主要因素。在三轴加载应力状态下,侧向应力越小,其渗透性变化幅度越大;侧向应力越大,变化幅度则越小。针对同一岩性试样,加载与卸载过程渗透性变化特征差别不大,只要保持一定的侧向应力,全应力–应变过程渗透系数变化存在一个极限值。针对一般岩石(体)试样,渗透系数变化最大值不会超过10-5cm/s量级;而对于低渗透性大理岩,最大值一般不超过10-7cm/s量级。(6)对孔隙性介质而言,压力梯度对岩石渗透性影响远大于围压条件的影响;而出水端水压大小对岩石的渗透性影响不大,可根据现场实测水压差,采用出水端水压力为0的方式进行渗透、力学试验研究。(7)提出高渗压下岩石(体)抗剪强度的计算方法,先把高渗压下实测得到的一组σ1,σ3值转化为相应有效应力值,再加上这组数据峰值强度时的平均孔隙水压后,进行抗剪强度计算。(8)根据常规饱水三轴压缩实测的σ1,σ3值,提出按实际工程高渗压条件进行抗剪强度计算的方法,并通过试验验证,认为从应力角度进行抗剪强度换算可以反映高渗压状态下岩石(体)的强度特征。(9)通过对试样弹性阶段不同应力路径下的应力、应变变化特征研究发现,当侧向应力处于加载或卸载状态时,其应力–应变特征则不符合胡克弹性定律。提出岩体的工程力学参数取值应模拟工程实际所处的应力状态进行相应的试验研究。(10)在试验和莫尔–库仑定律的基础上,提出卸载(包括高渗压卸载)条件下岩石(体)的强度计算准则和相应的强度计算公式。