甘肃北山花岗岩节理水力、力学特性研究

论文摘要

在花岗岩这类硬岩中处置高放废物,遍布花岗岩体中的节理裂隙是控制处置的关键因素,连通的裂隙网络是核素迁移的主要通道。因此对节理裂隙的水力、力学特性进行深入的研究是十分必要的。本文以中国高放废物深地质处置甘肃北山预选区候选场址评价为研究背景,以北山采石场区域中分布的节理为研究对象,运用现场调查、钻孔试验、统计分析、室内试验以及数值模拟等多种手段对节理面的分布特征、表面形态特征、单节理面力学特性以及节理网络渗流应力的耦合特性展开了研究。通过对中国高放废物处置库甘肃北山预选区岌岌采石场的岩体露头进行节理调查,统计了采石场区域节理分布的各项基本特征,为进一步研究节理面的各项物理力学特征建立了分组依据。针对节理分组特征,在采石场区域选取典型节理面,运用基于Barton直边法的快速几何测量法,对现场大尺寸节理面表面形态进行了测量。分析了该区域节理面表面形态的尺寸效应、各向异性等特性。并且分析了剖面曲线的参数特征。天然节理面中往往既包含有周期长、幅值大的起伏度分量和周期短、随机性的粗糙度分量。两者对节理面的影响机理是不同的,不考虑两者的区别而笼统地分析显然是存在缺陷的。本文将节理面的表面形态曲线看作是一离散的时间序列,引用频谱分析法实现了两者的分离,讨论了分离阙值频率的选择,并且分析了不同分量的参数特征。试验方法是研究节理力学特征最直接有效的方法,对现场选取的150×150×150mm的标准中间含平行节理试样进行了法向压缩试验和直接剪切试验,研究了节理面的变形特征与强度特征,并且对试样的节理面表面形态特征进行了分析。研究了节理面不同分量对节理面力学特性的影响规律。针对现场某深钻孔进行了地应力测量与高压压水试验,分析了现场岩体渗透特性,应用离散元程序UDEC对基于上述调查统计的裂隙网络进行了应力场与渗流场的耦合分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 高放废物地质处置研究现状
• 1.2 岩体节理各项基本特征的研究动态
• 1.3 节理面表面形态研究现状
• 1.3.1 节理面表面形态分类
• 1.3.2 节理面表面形态研究方法
• 1.4 节理岩体水力、力学特性研究现状
• 1.4.1 单裂隙水力特性研究
• 1.4.2 单裂隙力学特性研究
• 1.4.3 单裂隙耦合特性研究
• 1.4.4 裂隙岩体渗流模型研究
• 1.5 岩土工程中的渗流应力耦合问题
• 1.5.1 地下水开采中的渗流应力耦合问题
• 1.5.2 水利水电工程中的渗流应力耦合问题
• 1.5.3 其他领域内的岩土流-固耦合问题
• 1.6 本文主要工作
• 第二章 北山花岗岩节理裂隙分布特征研究
• 2.1 节理概论
• 2.1.1 按结构面地质成因的分类
• 2.1.2 按结构面地质力学成因的分类
• 2.2 节理分布规律的现场露头调查
• 2.2.1 节理的现场露头调查
• 2.2.2 现场勘查采样原则
• 2.2.3 节理调查数据分组
• 2.3 节理产状概率统计分析
• 2.3.1 节理倾向、倾角的概率统计分析
• 2.3.2 节理间距的概率统计分析
• 2.3.3 节理平均迹长和迹线中点面密度统计分析
• 第三章 北山花岗岩节理表面形态特征研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 节理面表面形态测量方法
• 3.2 节理面表面形态特征的现场测量
• 3.2.1 自制的剖面线测绘仪
• 3.2.2 节理面的选取
• 3.2.3 测线的布置与测量
• 3.3 节理面表面形态曲线分析
• 3.3.1 Barton 直边法
• 3.3.2 JRC 尺寸效应分析
• 3.3.3 JRC 各向异性效应分析
• 3.3.4 表面粗糙度与节理类型的关系
• 3.4 节理面表面形态曲线分析－参数法
• 3.4.1 节理面表面形态参数法概述
• 3.4.2 节理面表面形态曲线的数字化步骤
• 3.4.3 节理面表面形态曲线参数分析
• 第四章 节理面表面形态的频谱分析
• 4.1 傅里叶变换在频谱分析中的应用
• 4.1.1 傅里叶变换
• 4.1.2 快速傅里叶变换FFT
• 4.2 节理面表面形态的功率谱分析
• 4.2.1 平稳过程的功率谱密度
• 4.2.2 功率谱分析在表面形态各向异性分析中的应用
• 4.3 节理面表面形态起伏度与粗糙度的分离
• 4.3.1 FFT 在数字滤波中的应用
• 4.3.2 低频起伏度与高频粗糙度特性
• 4.3.3 低频起伏度与高频粗糙度的分离
• 4.3.4 不同频率分量的参数特性
• 4.3.5 分解阙值频率的确定
• 第五章 北山花岗岩体力学特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 节理试样的选取
• 5.3 节理闭合变形试验
• 5.3.1 节理面法向闭合变形经验公式
• 5.3.2 节理面法向闭合变形试验研究
• 5.3.3 节理面法向闭合变形试验结果拟合
• 5.4 节理面直剪试验
• 5.4.1 试验设备
• 5.4.2 试验设计及试验步骤
• 5.4.3 试验结果及分析
• 5.4.4 节理的剪切变形与强度特性
• 第六章 北山裂隙花岗岩体水力特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 钻孔岩体地应力测量
• 6.2.1 水压致裂法地应力测量试验设计
• 6.2.2 水压致裂法地应力测试结果及分析
• 6.3 钻孔压水试验
• 6.3.1 高压压水试验原理
• 6.3.2 高压压水试验成果
• 6.4 离散单元法在模拟水流中的应用
• 6.4.1 离散单元法
• 6.4.2 UDEC 渗流应力完全耦合分析
• 6.4.3 节理剪切本构模型
• 6.5 应力渗流耦合的离散元模拟
• 6.5.1 计算模型的建立
• 6.5.2 计算方案
• 6.5.3 节理开度跟不同应力状态的关系
• 6.5.4 渗流应力耦合计算分析
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 在读期间科研成果
• 致谢