层状岩体三轴压缩渗透试验及细观数值模拟

论文摘要

层状岩体在渗流环境下的力学特性和渗透特性对层状岩体设计、施工和稳定性起着关键作用。结构面各向异性特征、应力场与渗流场的耦合作用等诸多因素使得层状岩体渗流、变形及稳定分析变得异常复杂。为了研究渗透压-应力耦合条件下层状岩体应力-渗流协同演化规律,本文选取了不同结构面角度的含充填节理砂岩和天然层理砂岩开展了三轴压缩渗透试验,主要研究内容如下:针对含充填节理砂岩和天然层理砂岩,分别进行了围压20MPa,渗透压5MPa和围压10MPa,渗透压1MPa、5MPa、9MPa下的三轴渗流试验,获得了层状岩体应力应变曲线、破坏模式和渗透率等数据。宏观试验结果初步给出了层状岩体应力-渗流耦合特性对结构面方位和渗透压的敏感性分析,并为下一步细观数值模拟提供数据参照。以室内试验结果为依据建立PFC2D数值模型,采用离散元应力-渗流耦合求解程序进行数值计算。模拟工作分为两部分开展,即含充填节理砂岩压缩渗透细观数值模拟和层理砂岩压缩渗透细观数值模拟。含充填节理砂岩压缩渗透细观数值模拟研究了不同充填节理角度下砂岩压缩渗透过程中应力应变特征、破坏模式和渗透率演化阶段性特征,并从细观机理解释了砂岩能量细观响应和能量转移与耗散规律,探讨了细观结构变化对含充填节理砂岩渗流-应力耦合特性的影响。层理砂岩压缩渗透细观数值模拟着重讨论了不同层理角度砂岩应力应变特征、强度变形参数、破坏模式、位移场和渗透率演变规律等信息,分析了渗透压对试样力学特性和水力特性的影响。细观模拟结果表明:岩样细观结构的变化导致了层状岩体力学行为和水力行为的改变。本次研究宏观试验结合细观模拟,相辅相成,加深了渗透压-应力耦合状态下层状岩体压缩渗透力学行为研究。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 节理岩石压缩渗透试验
•     1.2.2 层理岩石压缩渗透试验
•     1.2.3 岩石压缩渗透力学模型和数值模拟
•   1.3 研究存在的科学问题
•   1.4 本文主要研究内容和技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
• 第2章 层状岩体渗流试验方案
•   2.1 引言
•   2.2 试验原理
•     2.2.1 稳态法与瞬态法
•     2.2.2 瞬态法的试验原理
•   2.3 试验设备简介
•   2.4 试验方法与工艺
•     2.4.1 试样制备
•     2.4.2 基本物理力学参数测定
•     2.4.3 三轴渗流试验装置
•   2.5 本章小结
• 第3章 层状岩体三轴压缩渗流试验分析
•   3.1 引言
•   3.2 含充填节理砂岩三轴压缩渗透试验结果及分析
•     3.2.1 强度特征
•     3.2.2 破坏特征
•     3.2.3 初始渗透率显著特征
•     3.2.4 渗透率演化特征
•   3.3 层理砂岩三轴压缩渗透试验结果及分析
•     3.3.1 各向异性变形特征
•     3.3.2 各向异性强度特征
•     3.3.3 各向异性破坏特征
•     3.3.4 初始渗透率变化特征
•     3.3.5 渗透率演化特征
•     3.3.6 渗透率变化机理
•   3.4 本章小结
• 第4章 离散元颗粒流数值模型建立
•   4.1 引言
•   4.2 颗粒流理论基础
•     4.2.1 颗粒流简介
•     4.2.2 PFC程序简介
•     4.2.3 颗粒黏结理论基础
•     4.2.4 水力耦合理论基础
•     4.2.5 能量理论基础
•   4.3 数值模型建立以及初始条件
•   4.4 细观参数的选取
•   4.5 本章小结
• 第5章 层状岩体压缩渗透细观数值模拟
•   5.1 引言
•   5.2 含充填节理砂岩压缩渗透细观数值模拟
•     5.2.1 应力应变曲线
•     5.2.2 破坏模式
•     5.2.3 微裂纹发展分析
•     5.2.4 初始渗透率特征
•     5.2.5 渗透率演化特征
•     5.2.6 能量响应细观分析
•     5.2.7 能量转移与耗散规律
•   5.3 层理砂岩压缩渗透细观数值模拟
•     5.3.1 应力应变曲线
•     5.3.2 强度变形参数分析
•     5.3.3 微裂纹分布及破坏模式
•     5.3.4 接触力链
•     5.3.5 位移场
•     5.3.6 初始渗透率特征
•     5.3.7 渗透率演化特征
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 林春

导师: 俞缙

关键词: 层状岩体,渗流应力耦合,渗透率,细观模拟

来源: 华侨大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 华侨大学

分类号: TU45

总页数: 106

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