三维渗压条件下砂岩的强度及破坏特征研究

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岩体中存在的裂隙与孔隙为渗流提供良好的流通渠道,岩层大多处于双向或三向受压状态,水库蓄水后渗漏带来的流体压力容易引起岸坡岩体的应力重分布和变形,严重时导致地质灾害、拱坝变形等问题,例如广泛出现于高拱坝变形中的谷幅收缩现象。目前针对渗压对库坡岩体的影响研究还存在不足,因此开展相关流固耦合研究对水利水电工程建设起着至关重要的作用。本文以砂岩为试验对象开展多种工况下的室内流固耦合力学试验,并结合声发射监测与数值模拟手段,运用岩石声发射参数分析方法和颗粒流PFC2D数值模拟方法,研究不同应力路径下的破裂模式和声发射特征,并对比分析浸泡和渗压作用下的表观破坏形态和内在破裂机理,本文的主要研究工作及结论如下:(1)设计三维渗压的试验方案,制备用于施行三维渗压的模具,同时将砂岩试样浸泡开展不同围压下的三轴压缩试验并同步采集声发射信号,通过维持稳压使液体渗入岩体,起到传递三维渗压的作用。(2)基于室内流固耦合力学试验,研究不同围压下浸泡以及三维渗压的作用对砂岩试样力学特性、破裂模式和破坏机制的影响,并对比了天然砂岩在三轴压缩状态下的试验结果,分析浸泡和渗压对试样破坏形态、强度特征和力学行为方面的影响异同。(3)借助声发射监测系统获取的声发射特征参数(计数、二维功率谱和RA-AF参数),探讨了浸泡状态、渗压作用以及天然状态下试样的破坏机制和声发射参数的异同,分析三者破坏模式与破裂内在机理的区别。其中,天然状态试样以剪切破坏为主,浸泡试样以拉剪混合破坏为主,而对于有渗压作用的试样表现为以拉伸破坏为主的拉剪混合破坏。(4)利用颗粒流离散元PFC2D软件,构建模型并对颗粒和粘结进行细观参数标定,利用标定得到的细观参数验证三轴压缩试验结果;通过模拟孔隙内的流体压力作用于岩体颗粒基质的工况进一步研究渗压对岩体的内在裂纹演化与表观破裂模式的影响。
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