剪切作用下类砂岩材料结构面力学特性与渗流规律研究
裂隙一般作为为岩体破坏、变形的主要部位以及湾流主要通道，并且往往处于复杂应力状态下，因此清楚准确的描述岩体裂隙在复杂应力状态下的力学特性及渗流规律，对工程建设及安全运行有着重要的意义。本文以浅埋深状态下的砂岩为研究对象，高强石膏为相似材料，进行不同法向应力和高水压作用下的单裂隙剪切-渗流耦合试验。基于Patton强度公式以及峰后剪胀经验公式分析全剪切过程剪切强度变化规律：推导幅向流立方定律，通过COMSOL软件建立三维数值模型，结合模拟结果和试验现象分析幅向流立方定律与试验结果之间的误差来源；通过建立高水压作用下机械隙宽与水力隙宽之间的经验关系对幅向流立方定律进行修正；基于Forchheimer公式以及Lzbash公式，从宏观分析高水压作用下剪切过程中水流非线性变化过程。得到以下主要成果和结论： (1)基于相似第二定理以及所选砂岩物理力学参数，结合试验仪器所需试件的几何参数，确定了相似材料配合比以及几何尺寸。通过试验发现高强石膏作为一种相似材料能很好的替代本文选定的砂岩进行剪切-渗流耦合试验。 (2)为剪切切过程中任意时刻裂隙结构面剪切强度的确定提供了一种新思路.以峰值剪切位移为分界点，通过剪胀角的变化反映裂隙的变形过程，建立了峰后剪胀经验公式。将峰后剪胀经验公式带入Patton强度公式建立了峰后剪切强度经验公式。试验结果表明，结合Patton峰值强度公式和峰后剪切强度经验公式可以准确的确定任意时刻结构面剪切强度值，并且结构面破坏之后产生的碎屑填允物会对翦切强度和隙宽变化起到决定性作用。 (3)推导出一种更加接近试验结果的幅向流立方定律，以峰值剪切位移为分界点，结合数值模拟结果与实验结果分析了幅向流立方定律与试验结果之产生误差的原因。认为复杂的结构面形貌特征、碎屑填充物、水流流动的各向异性以及高水压引起水流非线性现象的提升等因素，是造成幅向流立方定律与试验结果之间误差的主要原因。考虑了结构面几何特征对隙宽的影响以及高水压对水流非线性现象的影响对幅向流立方定律进行修正。同时渗透系数的变化规律表明，剪切过程中由于隙宽的增大渗透系数会大幅度提升。法向应力通过改变隙宽和结构面形貌特征影响渗透系数变化趋势，使得法向应力越大，渗透系数越小。而由于幅向流立方定律未考虑水流非线性影响.渗透系数呈现出随水压力的增大而减小的趋势。 (4)基于Forchheimer公式以及Lzbash公式分析高水压作用下剪切过程中水流非线性变化过程，建立了临界雷诺数与剪切位移之间的经验公式。结果表明Forchheimer公式以及Lzbash公式都能很好的从宏观角度分析剪切过程中不同高水压作用下水流的非线性变化过程，并且剪切过程中由于隙宽和结构面几何形貌特征的变化水流非线性现象在逐渐减弱。
类砂岩材料;单裂隙;剪胀角;剪切强度;幅向流立方定律;水流非线性
西安理工大学
硕士
水工结构工程
柴军瑞
2018
中文
TU45
89
2018-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）