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水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

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岩石力学与工程学报 2023年第3期42卷 545-557页

作者：黄叶宁邓华锋李建林冯云杰王文东齐豫三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室北京100038

在库水位周期性升降变化作用下,库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态,为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性,选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象,进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩... 详细信息

在库水位周期性升降变化作用下,库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态,为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性,选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象,进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验,系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明:(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,总体可以分为3个阶段,其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右,水–岩作用10期后,节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著,逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态,节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势,宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低,节理面上、下盘吻合度降低,进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型,建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型,验证分析表明,该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供理论依据。

关键词：岩石力学水-岩作用节理岩体剪切特性本构模型

神东矿区矿井水的氢氧同位素特征及高氟矿井水形成的水-岩作用机制

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煤炭学报 2021年第S02期46卷 948-959页

作者：郭洋楠杨俊哲张政李国庆李庭王雷国家能源集团神东煤炭集团技术研究院陕西神木719300 国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102200 中国地质大学(武汉)资源学院湖北武汉43007

神华神东矿区许多矿井水中氟化物(F^(-))质量浓度超标(>1 mg/L),给矿井水的利用和排放带来巨大挑战。为了调查矿井水中氟化物的潜在来源以及研究高氟矿井水的形成机制,从神东矿区8个煤矿采集了矿井水、萨拉乌苏组松散层潜水以及地表水... 详细信息

神华神东矿区许多矿井水中氟化物(F^(-))质量浓度超标(>1 mg/L),给矿井水的利用和排放带来巨大挑战。为了调查矿井水中氟化物的潜在来源以及研究高氟矿井水的形成机制,从神东矿区8个煤矿采集了矿井水、萨拉乌苏组松散层潜水以及地表水样品共81个,进行了氢氧同位素和主要离子质量浓度测定。测试结果显示:神东矿区矿井水中F^(-)质量浓度介于0.05~11.65 mg/L,平均为1.96 mg/L,其中51%的矿井水为高氟矿井水。氢氧同位素分析表明绝大多数的高氟矿井水具有偏轻的δD和δ^(18)O,且随着F^(-)质量浓度的增高,δD和δ^(18)O降低。分析认为,δD和δ^(18)O偏轻的矿井水相对古老,滞留时间长,其与松散层潜水以及地表水的水力联系较差,处于相对封闭的地下水环境,径流滞缓,水-岩反应充分,当含水层的矿物学和地球化学条件适宜条件下,含氟矿物中氟释放,导致水中F^(-)的富集。矿井水水化学类型与F^(-)质量浓度的关联性分析显示,Na-HCO_(3)型水具有最高的F^(-)质量浓度;所有的高氟矿井水均为Na型水,Na型矿井水中F^(-)的质量浓度明显高于Ca型矿井水,随着Na^(+)质量浓度的增高和Ca^(2+)质量浓度的降低,F^(-)质量浓度升高,反映出F^(-)的富集主要与矿井水中Na^(+)增高以及Ca^(2+)消耗的水-岩作用有关。综合分析认为,神东矿区高氟矿井水的形成主要与矿井水中Ca^(2+)与岩石表面吸附的Na^(+)的阳离子交换吸附作用有关,同时,较高的碱性水环境下OH^(-)-F^(-)阴离子交换以及Ca(OH)_(2)矿物沉淀也有助于矿井水中F^(-)的富集;此外,氢氧同位素分析表明少部分高氟矿井水的形成与蒸发作用有关。

关键词：神东矿区氟矿井水氢氧同位素水-岩作用

水-岩作用下含煤岩系力学特性和声发射特征研究

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中国矿业大学学报 2021年第3期50卷 558-569页

作者：姚强岭王伟男李学华汤传金徐强于利强中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室矿业工程学院江苏徐州221116

采用自主研制的无损浸水装置进行了不同岩性含煤岩系浸水试验,根据含水饱和度随浸水时间变化规律将每种含煤岩系划分为4种含水饱和度;进行了不同含水饱和度、不同岩性含煤岩系单轴压缩试验和变角剪切试验,监测了试验过程中试样释放的声... 详细信息

采用自主研制的无损浸水装置进行了不同岩性含煤岩系浸水试验,根据含水饱和度随浸水时间变化规律将每种含煤岩系划分为4种含水饱和度;进行了不同含水饱和度、不同岩性含煤岩系单轴压缩试验和变角剪切试验,监测了试验过程中试样释放的声发射信号,研究了不同含水饱和度含煤岩系力学特性、变形破坏机理和声发射特征.结果表明:含煤岩系浸水过程按时间均可分为快速浸水、缓慢浸水和稳定3个阶段;随着含水饱和度增加,含煤岩系单轴抗压强度、弹性模量和内摩擦角呈线性或指数函数减小,黏聚力呈指数函数减小;由干燥到饱和,含煤岩系破坏形式由张拉逐渐向剪切过渡,或由剪切逐渐向拉剪复合过渡;随着含水饱和度增加,含煤岩系声发射累计计数减小.

关键词：水-岩作用含煤岩系力学特性含水率含水饱和度

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岩石裂隙水-岩作用机制与力学行为研究

岩石力学与工程学报 2021年第S02期40卷 3063-3073页

作者：赵志宏清华大学土木工程系北京100084

水-岩作用是导致裂隙岩体发生灾变的主要原因之一,其中的关键科学问题是准确预测裂隙岩体力学性质在水-岩作用下的时空演化规律。首先给出岩石裂隙水-岩力学、物理、化学作用的基本概念,并通过理论推导和试验研究,揭示3种水-岩作用对岩... 详细信息

水-岩作用是导致裂隙岩体发生灾变的主要原因之一,其中的关键科学问题是准确预测裂隙岩体力学性质在水-岩作用下的时空演化规律。首先给出岩石裂隙水-岩力学、物理、化学作用的基本概念,并通过理论推导和试验研究,揭示3种水-岩作用对岩石裂隙力学行为的影响规律与内在机制。岩石裂隙有效应力系数的物理意义为其内部的空腔率,给出基于常规力学参数的岩石裂隙有效应力系数计算公式。岩石裂隙水-岩物理作用的主要机制是对基本摩擦角以及接触凸起体强度的降低。岩石裂隙的水-岩化学作用与溶液pH值密切相关,酸性溶液对岩石裂隙剪切参数的弱化效应最为显著,其次是碱性溶液和中性溶液。最后,给出考虑水-岩作用效应的岩石裂隙抗剪强度准则,并简要讨论其在实际工程中的应用前景。

关键词：岩石力学岩石裂隙水-岩作用有效应力理论模型直剪试验

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人类活动对漓江地表水体水-岩作用的影响

环境科学 2017年第10期38卷 4108-4119页

作者：赵海娟肖琼吴夏刘凡苗迎蒋勇军西南大学地理科学学院岩溶环境重庆市重点实验室重庆400715 中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室桂林541004

人类活动对流域水质的影响受到越来越多的关注.为探讨人类活动对岩溶地表水体水-岩作用的影响,以受农业、工业、旅游业活动及城市发展综合影响的漓江流域为研究对象,于2016年7~11月采集河水样,分析水化学和δ^(13)C_(DIC)数据.结果表明:... 详细信息

人类活动对流域水质的影响受到越来越多的关注.为探讨人类活动对岩溶地表水体水-岩作用的影响,以受农业、工业、旅游业活动及城市发展综合影响的漓江流域为研究对象,于2016年7~11月采集河水样,分析水化学和δ^(13)C_(DIC)数据.结果表明:(1)漓江水化学类型为HCO_3-Ca.在阴离子成分中,SO_4~2和NO_3^-仅次于HCO_3^-,并且在漓江桂林至阳朔段,因城市及城镇分布密集,旅游业发达,浓度较高.(2)[Ca^(2+)+Mg^(2+)]/[HCO_3^-]当量比值在1.01~1.51之间,[Ca^(2+)+Mg^(2+)]/[SO_4^(2-)+NO_3^-+HCO_3^-]比值在0.85~1.12之间,说明硫酸、硝酸参与了水-岩作用.(3)碳酸溶蚀碳酸盐岩的比例平均为75.89%.硫酸和硝酸溶蚀碳酸盐岩的比例平均为24.11%.硝酸、硫酸溶蚀碳酸盐岩的能力多雨期强于少雨期.此外,硫酸和硝酸溶蚀碳酸盐岩的比例从上游到下游呈波动增大趋势,最高值出现于灵川县城,最低出现于漓江上游的华江.(4)碳酸风化碳酸盐岩对HCO_3^-的贡献最大,平均为83.58%;其次为硫酸和硝酸风化碳酸盐岩,平均为14.24%;碳酸风化硅酸盐岩对HCO_3^-的贡献最小,平均为2.18%,华江和峡背碳酸风化硅酸盐岩对HCO_3^-的贡献较其他点突出,这与流域地质背景相符合.(5)δ^(13)C_(DIC)值介于-11.95‰^-7.61‰之间;通过端元混合模型估算的δ^(13)C_(DIC-rock)介于-14.24‰^-7.23‰之间.多雨期δ^(13)C_(DIC)值与δ^(13)C_(DIC-rock)值比较接近,少雨期δ^(13)C_(DIC)值明显重于δ^(13)C_(DIC-rock).δ^(13)C_(DIC)与δ^(13)C_(DIC-rock)之间存在一定差异,是由于受到水生植物光合作用的影响.

关键词： %漓江水-岩作用硫酸侵蚀硝酸侵蚀岩溶碳汇 δ^13CDIC

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

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岩土力学 2020年第11期41卷 3671-3679,3768页

作者：段玲玲邓华锋齐豫李冠野彭萌三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用... 详细信息

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明:在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈"先快后慢"的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%~384.17%、549.04%~297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34~2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。

关键词：水-岩作用定期换水长期浸泡渗流特性微观形貌渗流通道

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

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岩土力学 2018年第7期39卷 2344-2352页

作者：邓华锋张恒宾李建林王晨玺杰张吟钗王伟胡亚运三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:... 详细信息

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。

关键词：库岸边坡水-岩作用卸荷劣化规律微观结构

基于PBM模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

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岩土力学 2023年

作者：骆祚森朱作祥苏卿李建林邓华锋杨超三峡大学土木与建筑学院武昌理工学院三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制，基于PFC中的平行黏结模型（parallel bond model， PBM），考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化，提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法，并在室内试验基础上开... 详细信息

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制，基于PFC中的平行黏结模型（parallel bond model， PBM），考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化，提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法，并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下，试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似，可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段，且随水-岩作用周期增加，加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大；试样蠕变破坏时，随水-岩作用周期增加，剪切裂纹占比逐渐增加，微裂纹倾角分布逐渐分散，倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加，试样的张性破坏减弱，剪性破坏增强；水-岩作用下，试样能储存的最大胶结能不断降低，且储存相同胶结能时对应的应变不断增大，与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性，为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。

关键词：岩石力学水-岩作用蠕变试验离散元法细观参数劣化

水-岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

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岩土力学 2019年第9期40卷 3447-3456页

作者：邓华锋支永艳段玲玲潘登李建林三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水-岩作用试验。... 详细信息

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水-岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水-岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC^2D离散元软件对水-岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现:(1)水-岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。(2)水-岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。(3)由PFC^2D离散元模拟分析发现:水-岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。

关键词：水-岩作用浸泡-风干循环劣化微细观应变局部化