高渗压下岩石（体）渗透及力学特性试验研究

论文摘要

工程中涉及到高水压条件的情况越来越多，国内外由于岩石（体）渗流而造成工程失事的实例已有很多，高渗压下岩石（体）力学、渗透特性研究已成为岩土工程中急待解决的前沿性课题。为研究高水头压力作用下岩石（体）的渗透特性、破坏机理和力学特性，笔者与课题组同志一起，开发研制了大型岩石渗透试验仪器。依托该套试验仪器，针对不同渗透、力学特性试样进行了较为系统的测试研究。本文取得的主要研究成果如下：（1）关于试验仪器方面，具有以下特点和创新：以成都液压伺服厂专利产品-静态伺服阀为主要控制元件，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，达到提高测试精度，缩短测试时间目的；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，进而在试样进水端形成稳定的水压大小，实现了对高孔隙水压、小水力梯度的真实模拟；而试样的轴向荷重、侧向压力分别采用两套调速阀控制系统，实现了试验过程的稳定、精确控制。通过对计算机控制程序的改造升级，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，笔者提出了高水压下试样的密封，方柱体、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）试验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，孔隙性介质，不论试样的渗透性大小，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；试样轴向位移在围压升高时呈负值（拉伸状态）变化，围压降低时呈压缩状态，并且在围压降低各个阶段的轴向位移值均可恢复到最初时的轴向位移大小，而试样的渗透性却低于最初时围压升高时的大小；说明围压升、降过程渗透性变化主要受试样侧向弹塑性变形的影响。而裂隙性岩体围压升、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）首次提出了在全应力-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）围压、压力梯度的大小是影响岩石渗透性的主要外界因素。针对孔隙性介质而言，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零的方式进行渗透、力学试验研究。（7）提出了高渗压下岩石（体）抗剪强度的计算方法：首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，提出了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，当侧向应力保持不变时轴向应力的加载或卸载，其应力、变形特征符合胡克弹性定律；而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。基于此，提出岩体的工程力学参数取值应基于试验基础上，模拟工程实际所处的应力状态进行相应的试验研究。（10）在试验和莫尔一库仑定律的基础上，提出了卸载（包括高渗压卸载）条件下岩石（体）的强度计算准则：σ1+σ3=k（σ1-σ3）-b，相应强度计算公式为：C=b/2tgφ，（?）=arcsin1/k。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高压渗透试验仪器开发及岩石渗透性测试方法研究现状
• 1.2.2 水-岩相互作用研究现状
• 1.2.3 低渗透岩启动压力梯度研究现状
• 1.2.4 有效应力对岩石渗透性的影响研究现状
• 1.2.5 全应力-应变过程岩石（体）渗透、力学特性研究现状
• 1.2.6 卸荷条件下岩体力学特性、渗透性研究现状
• 1.2.7 当前研究中存在的不足
• 1.3 研究内容及技术路线及关键问题
• 1.3.1 主要研究内容及关键问题
• 1.3.2 研究思路
• 1.4 论文获得的成果及存在的问题
• 第2章 岩石（体）渗流基本概念
• 2.1 概述
• 2.2 孔隙、裂隙结构岩体介质渗流特征
• 2.2.1 孔隙介质渗流
• 2.2.2 裂隙岩体渗流
• 2.3 渗透性计算及达西定律使用范围
• 2.3.1 渗透系数、渗透率
• 2.3.2 达西定律的使用范围
• 2.4 岩石有效应力原理及流固耦合效应
• 2.4.1 岩石有效应力原理
• 2.4.2 渗流、应力耦合效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 大型岩石高压渗透试验仪器开发与研制
• 3.1 概述
• 3.2 液压控制原理及主要构成
• 3.2.1 液压控制原理
• 3.2.2 主要构成及设计关键
• 3.3 主要技术指标及特点
• 3.3.1 主要技术指标
• 3.3.2 主要技术特点
• 3.4 渗透性测试及实测检验
• 3.4.1 渗透系数计算公式
• 3.4.2 试样轴向应力及有效应力计算
• 3.4.3 高水压下试样的密封方法
• 3.4.4 渗透性测试操作步骤
• 3.4.5 测试数据处理方法
• 3.4.6 试样进、出端水压力校核计算
• 3.4.7 试样轴向位移校核计算及仪器刚度评价
• 3.4.8 方柱体试样渗透性测试
• 3.4.9 岩石渗透性实测检验
• 3.5 本章小结
• 第4章 水—岩相互作用试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 蚀变岩成因、分类特点及坝区地下、地表水化学特征
• 4.2.1 蚀变岩成因及其孔隙特点
• 4.2.2 蚀变岩分类及软硬程度划分
• 4.2.3 坝区地下水、地表水化学特征
• 4.3 常温常压条件浸泡试验研究
• 4.3.1 常规条件下岩屑浸泡结果分析
• 4.3.2 酸碱度条件下测试结果分析
• 4.3.3 岩块浸泡试验结果分析
• 4.4 高压渗流条件浸泡试验研究
• 4.4.1 试验原理、方法
• 4.4.2 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 岩石（体）渗透特性试验研究
• 5.1 概述
• 5.2 渗透性试样选取、制作
• 5.2.1 坝区蚀变岩的选取、制作
• 5.2.2 岩石相似材料制作及相似性分析
• 5.2.3 断层挤压带重塑样制作
• 5.2.4 大理岩人工裂隙制作
• 5.3 非线性渗透拟启动压力梯度试验研究
• 5.3.1 试验原理、方法
• 5.3.2 拟启动压力梯度推算方法
• 5.3.3 拟启动压力梯度实测结果分析
• 5.3.4 非达西渗流机理分析
• 5.4 不同围压渗透特性试验研究
• 5.4.1 试验原理、方法
• 5.4.2 静水压力渗透性试验结果分析
• 5.4.3 非静水压力渗透性试验结果分析
• 5.4.4 围压等速加、卸载过程轴向位移变化特征分析
• 5.4.5 不同围压条件渗透机理分析
• 5.5 全应力-应变过程渗透特性试验研究
• 5.5.1 试验原理、方法
• 5.5.2 试验结果分析
• 5.5.3 全应力-应变渗透特征分析
• 5.6 岩石（体）渗透性影响因素分析
• 5.6.1 压力梯度、围压条件的影响
• 5.6.2 出水端水压力的影响
• 5.6.3 孔隙度及不同水溶液的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 高渗压条件对岩石（体）强度特征影响性研究
• 6.1 概述
• 6.2 高渗压三轴加载抗剪强度参数求算方法、原理
• 6.3 常规饱水三轴压缩实测数据相对高渗压条件强度计算原理、方法
• 6.3.1 高渗压实测数据有效应力折减计算
• 6.3.2 常规饱水三轴压缩数据相对高渗压条件强度计算方法
• 6.4 高渗压三轴压缩强度特征试验结果分析
• 6.4.1 高渗压多级加载试验结果分析
• 6.4.2 高渗压常规三轴加载试验结果分析
• 6.5 高渗压三轴压缩破坏机制分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 卸载及高渗压下卸载岩体力学试验研究
• 7.1 概述
• 7.2 弹性段加、卸载路径对强度、变形特征影响性研究
• 7.2.1 不同速率比侧向压力卸载试验研究
• 7.2.2 轴向应力保持不变侧向压力卸载试验研究
• 7.2.3 不同速率比加载试验研究
• 7.2.4 加、卸载路径影响性综合分析
• 7.3 高渗压卸载岩体力学试验研究
• 7.3.1 试验原理、方法
• 7.3.2 试验数据拟合分析
• 7.3.3 岩体卸载强度准则的提出
• 7.3.4 卸载抗剪强度计算结果分析
• 7.3.5 卸载弹性模量特征分析
• 7.4 高渗压卸载岩石（体）变形破坏特征分析
• 7.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文及科研成果