【摘 要】
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裂隙是岩体渗流的主要通道,复杂的外部因素影响着裂隙内部渗流平衡和应力分布。裂隙渗流规律与应力行为的研究,对工程安全运行和维持结构稳定有着重要的价值。本文利用石膏制得实验室试件,模拟不同粗糙度下的砂岩结构面。进行不同法向应力,高水压以及不同粗糙度结构面下的直剪渗流试验。基于JRC-JCS抗剪强度模型,对剪切过程中剪切强度与法向应力和水压之间的关系进行了研究,同时对两种粗糙度在不同剪切阶段的剪切强度进
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裂隙是岩体渗流的主要通道,复杂的外部因素影响着裂隙内部渗流平衡和应力分布。裂隙渗流规律与应力行为的研究,对工程安全运行和维持结构稳定有着重要的价值。本文利用石膏制得实验室试件,模拟不同粗糙度下的砂岩结构面。进行不同法向应力,高水压以及不同粗糙度结构面下的直剪渗流试验。基于JRC-JCS抗剪强度模型,对剪切过程中剪切强度与法向应力和水压之间的关系进行了研究,同时对两种粗糙度在不同剪切阶段的剪切强度进行了拟合分析。考虑了辐射流内外径对裂隙渗流的影响,研究了裂隙内部沿径向方向上水流流态的变化,推导了辐射流立方定律。利用试验数据结合COMSOL建立的三维裂隙模型,对不同剪切位置处的渗流规律进行了研究。在单裂隙模型的基础上,构建了交叉型裂隙网络,研究了裂隙中流量与流速的分布。基于Forchheimer公式研究了裂隙中水流的非线性变化,得到了以下主要结论:（1）通过对粗糙度参数进行总结分析,选取一阶均方根Z2,对试验中的锯齿面粗糙度进行拟合分析,得到了节理面粗糙度系数JRC与Z2之间的指数关系式。（2）基于Barton提出的JRC-JCS抗剪强度模型,考虑水压产生的扩张作用,提出了有效应力对模型进行了修正,得到了适用于渗流裂隙的JRC-JCS抗剪强度模型。不同粗糙度的结构面剪切过程中应力变化趋势不同,结合峰值抗剪强度分析得到了不同阶段剪应力与剪切位移之间的定量表达式。（3）基于试验数据建立了 COMSOL单裂隙模型,研究了应力和剪切作用对隙宽的影响,得到了耦合作用下的隙宽与渗透系数表达式。低水压下裂隙中沿径向方向会出现非线性流向线性流的转变。分析了辐射流渗流宽度与内外径之间的相关性,得到了考虑内外径影响的修正辐射流立方定律。（4）结构面粗糙度,剪切位置,破坏物的填充作用使得水流流动变得复杂,能量损失增大,造成水流的非线性的误差。基于Forchheimer方程,从宏观角度分析了裂隙中非线性流,给出了 Forchheimer系数与粗糙度系数JRC之间的线性表达式。推导得到了临界雷诺数与非线性系数相结合的表达式,发现粗糙度与裂隙隙宽状态是影响临界雷诺数大小的主要因素。粗糙度与交叉角影响着水流选择流动的优势通道,裂隙中的最大流速随着交叉角度的增大而减小。
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