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岩石作为一种天然的非均匀材料,其内部富含各种缺陷,包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面,它们的存在为地下水提供了贮存和运移的场所。地下水渗流以渗透应力作用于岩体,影响岩体中应力场的分布,同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形,影响裂隙的渗透性能,所以渗流场随着裂隙渗透性的变化而重新分布,这种相互影响称之为渗流-应力耦合。
许多岩体工程的失事都与地下水有关,如水电工程大坝的失事、煤矿底板突水和顶板溃沙涌水等,其失事的本质原因是在渗流场和岩体应力场的相互作用下,内部相邻裂纹、裂隙与工程扰动诱发的裂纹裂隙不断扩展、相互作用直至贯通而导致了工程岩体的失稳形成工程灾害。本文从细观力学的角度出发,考虑了岩石内部的微观缺陷、裂纹裂隙等,研究了岩石在渗流耦合作用下的破坏,有助于认清这些工程岩体的破坏机理,采取控制和预防措施。本文制作典型岩石结构的人工岩芯试件,通过实验研究孔隙度与岩石渗透性及峰值强度之间的关系,阐述了水的弱化作用机理;通过数值模拟研究预制裂纹及颗粒组合对岩石渗透性及力学参数的影响。通过上述研究,得到一些有意义的结论:
(1)通过人工岩芯试件渗透性实验,得到了孔隙度和渗透率的近似拟合曲线,二者之间存在幂函数关系;随着孔隙度增加,渗透率增大,孔隙水压力的作用面积增大,水对试件强度的弱化作用加剧,试件的强度减小显著;
(2)模拟结果表明,有水压力作用下试样的抗压强度值比无水压力作用下明显减小,由于水压力的存在降低了围压的作用,试件表现出更强的脆性破坏;预制裂纹的扩展以翼形裂纹为主,剪切裂纹带为辅,水压力的劈裂和扩容作用对裂纹的形成以及扩展模式起主导作用;
(3)当裂纹扩展遇到较强的介质时,裂纹的扩展方向会发生偏转,并绕过强介质继续扩展;预制裂纹的数量对渗透系数影响显著,随着预制裂纹数量的增加,试件的初始渗透系数增大,峰后渗透系数提高的程度增大;试件性质的非线性增强,峰值强度降低;预制裂纹数量对线性变形阶段的弹性模量的影响不大。