裂隙非饱和渗流及摩擦滑动特性研究

【摘要】裂隙非饱和渗流及摩擦滑动特性研究属基础性研究,同时其研究成果又能应用于工程建设、油气开采、地热开发和地震预警等领域。裂隙非饱和渗流和摩擦滑动特性研究的关键在于精确试验系统的搭建和高仿真数值模型的建立。本文以粗糙裂隙为主要研究对象,通过数值试验和物模试验研究裂隙的非饱和渗流以及摩擦滑动特性,主要研究内容和结果归纳如下：1、通过分形理论构建粗糙裂隙面,错距合并两分形裂隙面并调整得到一定开度分布的单裂隙,然后进行单裂隙非饱和渗流数值模拟。模拟结果表明,排水曲线和吸水曲线之间存在迟滞现象,排水过程滞后于吸水过程；同时在数值模型中考虑裂隙-岩块间的拟稳态水交换,水交换明显影响裂隙的渗透性；通过进一步的参数敏感性分析表明：对裂隙渗透性影响最大的是岩块的渗透性,其次是岩块的初始饱和度,最小的是岩块孔隙率,其影响基本可忽略。2、研制出一套模拟降雨在单裂隙-基质内入渗的试验装置,随后进行非饱和降雨入渗试验,观测降雨在裂隙和基质内的流动与分布以及裂隙-基质间的水力联系,分析水力联系对基质和裂隙非饱和水力参数的影响。试验结果发现：基质是降雨入渗的主要通道,裂隙成为隔断相邻基质间水力联系的屏障；但裂隙-基质间存在水力交换：裂隙内的毛细阻力导致降雨在裂隙上端累积,一部分累积水流由两侧进入基质,成为基质额外的水源,因此加速了基质的饱和进程,而延缓了裂隙的饱和进程；同时,随着降雨在基质的入渗,裂隙-基质间存在水交换,水交换由湿润基质向干燥裂隙方向进行。通过比对试验还发现,裂隙开度的增大也会加速基质的饱和。最后成功用VG模型拟合得到基质和裂隙的持水特征曲线(毛细压力与体积含水率的关系曲线)。3、搭建三轴试验系统,对劈裂石灰岩裂隙进行剪切滑动试验。首先进行干、湿试样滑动-控制-滑动(SHS)试验,研究裂隙摩擦强度在控制状态和滑动状态下的演变过程。通过滑动-控制-滑动试验发现：裂隙摩擦强度在控制时段内出现明显的下降,重新滑动后强度迅速愈合,呈现明显的时间依赖性；摩擦强度降低量和愈合量与控制时长成正比,而与有效应力成反比；水的作用则体现出两面性：一方面是水与磨损物发生胶结作用,使愈合量增加,另一方面水将磨损物冲出裂隙,使愈合量减小。4、实施速度步长(VS)试验,滑动速度介于1-6μm/s,研究裂隙的滑动稳定性。速度步长试验结果表明：石灰岩裂隙摩擦强度随速度递增而稳步增长,呈现速度强化特性,滑动属稳定滑动。最后用固定水压渗透裂隙进行渗透试验,通过渗透试验观察到,裂隙渗透性不仅随有效应力递增迅速下降,而且在各级有效应力下渗透性亦随滑动逐渐减小,说明裂隙在滑动过程中继续闭合,并计算得到相应的裂隙闭合速率。5、建立压力溶解模型和应力腐蚀模型模拟试验中观察到的摩擦强度愈合现象,分析溶解、沉降、扩散和微裂纹扩展过程对裂隙面的改造和计算相应的裂隙接触面积增长率。对比模拟结果(接触面积增长率)和试验结果(摩擦强度愈合量)发现,压力溶解模型低估短控制时间内(<1000s)的愈合量,随控制时间增长模拟值逼近试验值,但整体模拟精度不高；加入应力腐蚀模型后,模拟结果改善明显,不仅提高了短控制时间内的模拟值,模拟值与试验值的变化过程也趋于一致。
【作者】钟振；
【导师】刘国华；胡云进；
【作者基本信息】浙江大学，水工结构，2014，博士
【关键词】裂隙；非饱和渗流；水交换；摩擦强度；时间依赖性；速度稳定性；压力溶解；应力腐蚀；

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