不同接觸狀態(tài)下節(jié)理應(yīng)力-滲流耦合特性的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和對(duì)再生能源的需求，國(guó)家對(duì)各類地下工程的需求在不斷增加，地下工程的失穩(wěn)大多與地下水的滲流有關(guān)。節(jié)理是巖體中的軟弱面，也是水流的主要通道，其力學(xué)和滲流性質(zhì)是影響工程穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。而節(jié)理面的強(qiáng)度和變形及其滲流特性取決于節(jié)理表面形貌特征，節(jié)理在不同接觸狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形及其滲流特性取決于節(jié)理組合形貌特征。因此，研究節(jié)理的表面形貌-滲流-力學(xué)耦合特性，并建立經(jīng)驗(yàn)公式具有重要的實(shí)際意義。
　　 論文承國(guó)家自然科學(xué)基金

2、項(xiàng)目(《含非貫通節(jié)理擴(kuò)展貫通的節(jié)理巖體應(yīng)力-滲流耦合模型和分析方法研究》(N0.40472142)和《柱狀節(jié)理巖體的擾動(dòng)特性和分析方法研究》(N0.40972178)支持，對(duì)取自雅礱江錦屏二期水電站輔助洞大理巖試樣，主要開展了以下幾方面的研究：①用自行研制的TJXW-3D型巖石節(jié)理表面形貌測(cè)量?jī)x，對(duì)利用劈裂法所制成人工節(jié)理的表面形貌進(jìn)行測(cè)量；②用自行編制的表面形貌計(jì)算軟件，對(duì)表面形貌的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算；③用穩(wěn)定接觸狀態(tài)判斷法則

3、和移動(dòng)接觸算法，確定處于指定狀態(tài)下節(jié)理所處的相對(duì)位置，并用所編制的組合形貌計(jì)算軟件，計(jì)算該狀態(tài)下的組合形貌參數(shù)，包括疊加參數(shù)、空腔參數(shù)以及分形維數(shù)；④在對(duì)節(jié)理表面形貌、組合形貌進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單節(jié)理的滲流實(shí)驗(yàn)；⑤在節(jié)理滲流實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步施加法向荷載，進(jìn)行單節(jié)理的法向應(yīng)力-滲流耦合實(shí)驗(yàn)；⑥在節(jié)理法向應(yīng)力-滲流耦合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步施加剪切荷載，進(jìn)行單節(jié)理的剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)；⑦對(duì)節(jié)理的滲流、法向應(yīng)力-滲流耦合和剪切應(yīng)力-滲流

4、耦合經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了推導(dǎo)。
　　 主要研究成果如下：
　　 第一，自行研制了結(jié)構(gòu)光柵投影式巖石表面三維形貌測(cè)量?jī)x。
　　 第二，研究了巖石節(jié)理形貌特點(diǎn)，提出組合形貌中疊加參數(shù)和空腔參數(shù)的概念，并對(duì)其形貌參數(shù)進(jìn)行分析研究。
　　 第三，對(duì)發(fā)生不同錯(cuò)位節(jié)理的接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬，用穩(wěn)定接觸狀態(tài)判斷法則和移動(dòng)接觸算法，計(jì)算出達(dá)到穩(wěn)定接觸狀態(tài)時(shí)節(jié)理所處的相對(duì)位置；
　　 第四，編制了節(jié)理表面形貌參數(shù)的計(jì)算軟件，

5、可以計(jì)算出表面統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)和分形維數(shù)；編制了組合形貌計(jì)算軟件，可以計(jì)算不同接觸狀態(tài)下節(jié)理的組合形貌參數(shù)，包括疊加參數(shù)、空腔參數(shù)以及分形維數(shù)。
　　 第五，研究了巖石節(jié)理的滲流特性，并提出較合理的滲流經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)節(jié)理滲流實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)公式的不足之處。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步分析，得到了更為合理的包含組合形貌參數(shù)的滲流經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)，還建立了包含表面二維分形維數(shù)和空腔三維分形維數(shù)的節(jié)理滲流經(jīng)

6、驗(yàn)公式。對(duì)不同接觸狀態(tài)下節(jié)理的滲流進(jìn)行理論分析，并建立了數(shù)學(xué)模型，提出了用于表征處于不同接觸狀態(tài)下節(jié)理滲流特性的參數(shù)--節(jié)理接觸系數(shù)JCC。
　　 第六，研究了巖石節(jié)理的法向應(yīng)力-滲流耦合特性，并提出較合理的法向應(yīng)力-滲流耦合經(jīng)驗(yàn)公式。在滲流實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行節(jié)理在不同接觸狀態(tài)下的法向應(yīng)力-滲流耦合實(shí)驗(yàn)。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的不足之處。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了包含表面形貌參數(shù)的節(jié)理

7、法向應(yīng)力.滲流耦合經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)法向應(yīng)力作用下滲流機(jī)理進(jìn)行了分析，得到了不同接觸狀態(tài)下節(jié)理法向應(yīng)力-滲流耦合模型。
　　 第七，對(duì)巖石節(jié)理的剪切-滲流耦合特性進(jìn)行了研究，并提出較合理的法向應(yīng)力-滲流耦合經(jīng)驗(yàn)公式。在滲流實(shí)驗(yàn)和法向應(yīng)力-滲流耦合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用自行加工設(shè)備，進(jìn)行節(jié)理在不同接觸狀態(tài)下的剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了包含表面形貌參數(shù)的節(jié)理剪切-滲流耦合經(jīng)驗(yàn)公式。此外，還對(duì)對(duì)剪切力作用下滲流機(jī)理進(jìn)行了