本文選題：巖石結(jié)構(gòu)面　切入點：三維形貌參數(shù)　出處：《武漢大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：巖體是由眾多規(guī)模不一、產(chǎn)狀各異的結(jié)構(gòu)面以及這些結(jié)構(gòu)面切割形成的形狀各異,塊堵不等的巖塊共同組成的地質(zhì)體,因此,巖體在荷載作用下的變形也主要由巖塊的變形和結(jié)構(gòu)面的變形共同組成。巖塊相比結(jié)構(gòu)面一般較為堅硬,巖體變形主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)面中。結(jié)構(gòu)面的法向變形和切向變形可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的閉合,張裂,萌生和擴展,從而引起巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)特征的變化。巖體的滲流在本質(zhì)上也受巖體結(jié)構(gòu)面的控制,結(jié)構(gòu)面的變形和巖體結(jié)構(gòu)特征的變化將引起巖體滲透特性的變化,從而表現(xiàn)出巖體滲透特性對巖體變形和應(yīng)力狀態(tài)的依賴關(guān)系。綜上,結(jié)構(gòu)面的存在顯著地影響著巖體的力學(xué)、熱力學(xué)及流體力學(xué)等工程特性。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性、水力特性及熱力學(xué)特性等是巖石力學(xué)的基本科學(xué)問題。本文緊密圍繞巖體力學(xué)及水力特性的這一課題,采用理論分析、數(shù)值模擬,試驗相結(jié)合的研究方法,分別對巖塊及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)及水力特性進行研究。論文的主要研究內(nèi)容如下： 1.系統(tǒng)總結(jié)了關(guān)于結(jié)構(gòu)面三維形貌參數(shù)的理論研究成果,通過分析結(jié)構(gòu)面室內(nèi)形貌測量和剪切試驗數(shù)據(jù),以結(jié)構(gòu)面有效剪切傾角加權(quán)平均值和最大可能接觸面積比作為結(jié)構(gòu)面三維形貌參數(shù),分析巖石結(jié)構(gòu)面試件形貌特征,研究了結(jié)構(gòu)面三維形貌參數(shù)的各向異性規(guī)律及形貌參數(shù)隨剪切次數(shù)的變化規(guī)律,對比分析了花崗巖和紅砂巖結(jié)構(gòu)面表面形貌參數(shù)變化規(guī)律。 2.基于水泥砂漿復(fù)制結(jié)構(gòu)面直剪試驗結(jié)果,建立了結(jié)構(gòu)面三維抗剪強度經(jīng)驗?zāi)Ｐ?通過對比巖石結(jié)構(gòu)面試驗結(jié)果,對模型進行了修正。為了研究多次剪切過程結(jié)構(gòu)面抗剪強度變化規(guī)律,采用花崗巖和紅砂巖兩類結(jié)構(gòu)面試件各五組進行室內(nèi)結(jié)構(gòu)面剪切試驗,對兩類結(jié)構(gòu)面試樣分別進行五級常法向荷載條件下的結(jié)構(gòu)面剪切試驗,同時對每級法向荷載條件下的試件進行多次剪切試驗,剪切次數(shù)為四次,每次剪切10mm,同時對每次剪切前結(jié)構(gòu)面的形貌進行測量�；谠囼灲Y(jié)果,分析了結(jié)構(gòu)面多次剪切過程中抗剪強度的衰減規(guī)律及三維形貌對其影響,研究了剪切次數(shù)、抗剪強度及形貌參數(shù)的定量關(guān)系,建立了結(jié)構(gòu)面多次剪切抗剪強度經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。最�?采用PFC3D軟件對結(jié)構(gòu)面形貌影響其剪切強度的規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。 3.利用三軸耦合試驗機進行了粗砂巖不同圍壓條件下變形破壞過程滲透性試驗,分析了粗砂巖變形及破裂過程滲透性的變化規(guī)律,研究了圍壓對粗砂巖滲透性的影響,探討了試樣變形過程滲透性與體積應(yīng)變的關(guān)系。研究表明：試樣在變形破壞過程中,滲透性對環(huán)向應(yīng)變的變化更為敏感。圍壓越大,粗砂巖滲透性變化曲線的峰值及峰后殘余值越小,滲透性-應(yīng)變過程曲線越平緩。基于多孔介質(zhì)理論的質(zhì)量守恒方程得到孔隙率與體積應(yīng)變的關(guān)系式,采用Kozeny-carman方程研究了粗砂巖變形過程中滲透性與體積應(yīng)變的關(guān)系。 4.系統(tǒng)總結(jié)了已有巖石結(jié)構(gòu)面剪切滲流耦合室內(nèi)試驗的研究,通過對剪切盒封水系統(tǒng)的改進,研制了JAW-1000型巖石單結(jié)構(gòu)面剪切滲流耦合試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)剪切盒的封水系統(tǒng)主要通過采用進、出水口的聚氨酯墊塊和剪切盒側(cè)板的聚氨酯密封囊實現(xiàn)。應(yīng)用試驗系統(tǒng),初步進行了花崗巖結(jié)構(gòu)面試件常法向荷載和常法向剛度兩種條件下的剪切滲流耦合試驗,試驗結(jié)果驗證了試驗系統(tǒng)的可靠性。試驗結(jié)果表明：在花崗巖結(jié)構(gòu)面的剪切滲流耦合試驗中,結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力,法向位移及水力開度均呈現(xiàn)兩階段的變化規(guī)律。隨著剪切次數(shù)的增加,結(jié)構(gòu)面的峰值剪切應(yīng)力及殘余值降低,剪脹點延遲,結(jié)構(gòu)面的初始水力開度顯著提高,法向位移和水力開度變化曲線逐漸趨于平緩。
[Abstract]:The rock mass is composed of many sizes, structural plane and the surface structure of different cutting shapes formed, ranging from rock block wall composed of geological body, therefore, under load deformation of rock is mainly composed of deformation and structure of the rock deformation factors. Compared with the structure of rock the surface is generally hard rock deformation occurred mainly in the surface structure. The normal deformation and shear deformation may cause the structure to the closure, crack initiation and propagation, causing changes in fracture network of rock mass and structure characteristics of the rock mass. The seepage is controlled by the structural planes of rock mass in nature, changes in the structure of the deformation and the characteristics of rock mass structure will cause the change of permeability in rock, thus showing rock permeability of rock mass deformation and dependence of stress. In conclusion, the existence of the structure significantly affects the rock The characteristics of engineering mechanics, thermodynamics and fluid mechanics. The mechanical characteristics of the structure, hydraulic characteristics and thermodynamic characteristic are the basic scientific problems of rock mechanics. This paper closely around the rock mechanics and hydraulic characteristics, using theoretical analysis, numerical simulation and test research of test method combining, respectively to study rock block and structure of the mechanical and hydraulic characteristics. The main research contents of this paper are as follows:
1. summarized about the structure of 3D morphology parameters of the theoretical research results, through the analysis of structural surface topography measurement and indoor shear test data, the structure of surface effective shear angle weighted average and maximum possible contact area ratio as the structure of 3D morphology parameters, rock structure analysis interview morphology, variation regularity and anisotropic morphology study on the structure parameters of 3D morphology parameters with the shear number, by analyzing the changes of granite and red sandstone structure surface topography parameters.
2. based on cement mortar copy joint straight shear test results, established the 3D structure of shear strength of rock structural plane model, by comparing the experimental results, the model was corrected. In order to study the multiple shear process of the shear strength variation, the granite and red sandstone in two specimens of each group were five the interior structure of the shear test, the structure of two types of interview samples respectively five constant normal load conditions of the structure of the shear test, several shear tests for each grade of normal loading conditions of shear specimens, four times, each time 10mm at the same time of structural plane shear, shape measurement of each shear before. Based on the experimental results, analyzed the influence of attenuation of shear strength of structural plane several times during shearing and 3D morphology of the studied shear number, quantitative shear strength and morphology parameters The empirical model of shear strength for multiple shear planes of structural planes is established. Finally, the rule of the shear strength of structural surfaces affected by the structure surface is numerically simulated by PFC3D software.
3. using three axis coupling testing machine of coarse sandstone under different confining pressures deformation and failure process of permeability test, the deformation and fracture process of coarse sandstone permeability analysis of confining pressure influence on permeability of sand rock, discusses the relationship of permeability deformation and volumetric strain studies. Sample: in process of deformation and failure, the permeability of the circumferential strain is more sensitive to the change. The greater the confining pressure, the peak value and the peak of sandstone permeability change curve of residual value is small, the permeability strain curve more gently. Relation between the mass conservation equation of porous media porosity and volume theory the strain was obtained based on the relationship between permeability and volume strain using Kozeny-carman equation of coarse sandstone during deformation.
4. summarizes the existing research of rock structural plane coupled shear flow test, through the improvement of the shear box sealing water system, developed the JAW-1000 type rock shear seepage coupling test system. The system of water sealing shear box is mainly through the use of polyurethane, polyurethane pad outlet and shear box plate sealing bag. Application of the test system, the preliminary interview a granite structure constant normal load and constant normal stiffness of the coupled shear flow test under the two conditions, the test results verify the reliability of the test system. The test results show that: in the granite structure of the coupled shear flow test, shear surface the normal force, displacement and hydraulic opening showed a variation in the two stage. With the increase of the shear number, the peak value of shear stress and residual value decreased, dilatancy point delay, The initial hydraulic opening of the structural plane is greatly improved, and the normal displacement and the hydraulic opening curve gradually tend to be gentle.

【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU45

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