灰岩裂隙非饱和渗流-应力耦合特性试验研究

作     者：杨申东 

作者单位：绍兴文理学院 

学位级别：硕士

导师姓名：胡云进;张鑫

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：灰岩单裂隙 非饱和渗流-应力耦合 围压 非饱和渗透系数 饱和度 

摘      要：裂隙岩体渗流的主要通道为裂隙,非饱和渗流是裂隙渗流中较为复杂且常见的一种渗流形式,在边坡工程、油气藏二次开发、高放射性核废料深埋处置、CO地质封存等重要工程中均涉及裂隙非饱和渗流问题。单裂隙是岩体裂隙网络的基本组成单元,探究单裂隙非饱和渗流特性是研究裂隙岩体非饱和渗流的基础。近几十年来,学者们意识到应力与渗流之间存在复杂的耦合作用,并且应力-渗流耦合问题已成为岩土工程领域的研究热点。然而由于单裂隙非饱和渗流的复杂性,关于裂隙非饱和渗流-应力耦合的研究成果尚未见报道,为此本文在总结分析前人对单裂隙非饱和渗流特性、饱和渗流-应力耦合的研究成果基础上,利用课题组自主研制的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对灰岩单裂隙进行了不同围压和毛细压力下的非饱和渗流试验,测定了不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流水力参数,并基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的经验关系式进行了拟合。主要研究内容和成果如下:(1)使用三维激光扫描仪(KEYENCE VR-3000)对裂隙非饱和渗流试验前后的灰岩裂隙表面形貌进行扫描,并导出三维数据,然后使用专业处理软件对裂隙面的三维数据进行分区处理,获得粗糙度值,为后续分析粗糙度对裂隙饱和-非饱和渗流的影响提供依据。通过分析粗糙度对裂隙非饱和渗流特性的影响发现:随着粗糙度的增加,裂隙的初始饱和渗透系数减小,残余饱和度呈现小幅增长,同时根据试验前后灰岩裂隙表面的变化情况,证明了应力增加使得裂隙面相互挤压破损,导致裂隙开度下降、渗透性减弱。(2)使用课题组自行研制的岩体裂隙非饱和渗流试验系统对4组灰岩裂隙进行了围压为0.3、0.5、0.8、1.1、1.5MPa下的非饱和渗流试验,获得在不同围压下的裂隙非饱和渗流水力参数(非饱和渗透系数、饱和度、毛细压力、进气值),并分析了在变围压条件下裂隙非饱和渗透系数-毛细压力关系曲线、饱和带-毛细压力关系曲线的变化情况。结果表明,裂隙非饱和渗透系数-毛细压力关系曲线分为三个阶段:平稳阶段、急剧下降阶段和缓慢下降阶段,不同围压下的裂隙渗透系数急剧下降阶段的下降速率不相同;随着围压增加,裂隙的残余饱和度也随之增加,进气值也随之增加,但进气值增加的速率逐渐减小,进气值随围压变化趋势与裂隙水力开度随围压变化趋势相一致。(3)使用MATLAB软件基于不同围压下裂隙非饱和渗流试验数据绘制出非饱和渗透系数、毛细压力、围压的3D关系图,拟合出三者之间的经验关系式,通过对比拟合曲面与试验实测数据发现,拟合曲面可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化过程,说明拟合出的经验关系式是合理可靠的。