单裂隙岩体力学和渗流特性试验研究

论文摘要

完整岩石具有强度高、渗透系数小的特性,然而天然岩体中赋存节理裂隙,节理裂隙的出现使岩体的特性有别于岩石。相同应力环境下,岩体的抗剪强度低;节理裂隙构成了渗透水的流动通道,故岩体具有较大的渗透性。在实际工程方面,水工建筑物的安全运行涉及岩体边坡的稳定性,研究节理裂隙对于渗透稳定、抗滑稳定的影响具有重要价值。本文在已有研究成果的基础上,通过水力试验、理论推导、数值模拟的方法,研究了单裂隙的力学、渗流及流-固耦合特性,获得以下主要结论:（1）基于三维形貌下的全剪切试验数据,建立新的峰值剪切强度公式。该公式符合剪胀角随法向应力的演变趋势,并反映了最大接触面积和片理构造对峰值的影响。与已有公式相比,新公式具有更高的预测精度。（2）总结了JRC值随不同统计参数的演变关系。总体而言,不同统计参数对于JRC值在6～12之间的预测结果,存在较大误差。（3）详细推导了辐射流立方定理,并总结其适用条件:裂隙结构面满足光滑平行板结构;裂隙流属于Darcy流;水流在辐射过程中能进入惯性力可忽略的弱惯性带。对于惯性力能否忽略,本文推导了判别公式,并通过水力试验得到验证。（4）渗透水压为0.2～0.6 MPa时,在平行板试件的直剪试验结果中,流量基本维持不变,并且满足线性Darcy流。而规则齿试件的流量不满足线性流且剪切过程中流量存在突变点,突变点前水流的非线性特性大于突变点后。剪切和渗透水压的下降均造成非线性所占比的减小。

论文目录

摘要

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1 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 结构面粗糙度及表面形貌表征

1.2.2 岩体裂隙面表面形貌测量

1.2.3 结构面抗剪强度本构模型

1.2.4 岩体结构面隙宽测量及渗流变化规律

1.2.5 结构面应力-渗流耦合特性

1.3 待研究问题

1.4 研究内容及方法

2 试验设备及试验方案

2.1 试验系统

2.2 试验试件

2.3 试验方案

3 岩体结构面力学特性

3.1 全剪切作用下节理力学特性

3.1.1 法向应力对力学特性的影响

3.1.2 剪切方向对力学特性的影响

3.1.3 剪切速率对力学特性的影响

3.2 节理峰值剪切强度新公式

3.2.1 节理三维形貌参数

3.2.2 峰值剪切强度公式对比

3.2.3 峰值强度预测值对比

3.2.4 新公式参数影响分析

3.3 新公式适用性拓展

3.3.1 节理二维形貌参数

3.3.2 二维规则齿直剪试验数据及分析

3.3.3 新模型公式与JRC的转换

3.4 本章小结

4 统计参数法预测单裂隙JRC值

4.1 标准轮廓线数字化

4.2 不同统计参数与JRC值的转换

4.2.1 参数Z2（轮廓线一阶导数均方根）

4.2.2 参数SF（结构函数）

4.2.3 参数Rp（轮廓指数）

max^*/（C+1）_2D'> 4.2.4 组合参数θ_max^*/（C+1）_2D

4.3 样本间距对预测结果的影响

4.4 本章小结

5 辐射流渗流特性

5.1 辐射流立方定理

5.1.1 辐射流平行板水流分布特性

5.1.2 立方定理的推导

5.1.3 平行板水头分布

5.2 水力试验

5.2.1 试件及试验方案

5.2.2 试验结果及分析

5.3 数值模拟

5.3.1 模型和参数

5.3.2 数值模拟结果

5.3.3 不同辐射比下的数值模拟

5.4 本章小结

6 流-固耦合特性

6.1 流-固耦合对渗流特性的影响

6.2 流-固耦合对强度特性的影响

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间主要研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁林楠

导师: 柴军瑞,覃源,范亦农

关键词: 峰值剪切强度,立方定理,水流非线性

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 西安理工大学

分类号: TU45

总页数: 92

文件大小: 5026K

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