基于隙腔三维形貌的岩石裂隙变形及渗流特性研究

岩石裂隙的变形与渗流特性是岩土工程领域的重要课题之一。由于岩石裂隙空腔（简称隙腔）形貌的复杂多变，岩石裂隙变形及渗流机理尚不完全清楚。本课题拟基于隙腔三维形貌研究岩石裂隙的变形与渗流特性。采用三维扫描仪扫描岩石裂隙面确定其三维形貌数据，借助数据处理软件GIS可得到任一相对位置下两裂隙面围成的隙腔形貌。分别进行具有特定隙腔形貌的岩石裂隙渗流试验，及岩石裂隙法向压缩、剪切变形试验和数值分析，确定能反映岩石裂隙渗流能力、法向或剪切变形特性的隙腔形貌特征指标，并得到岩石裂隙渗流能力参数、法向刚度及切向刚度与相应特征指标的关系。通过研究法向变形、切向变形过程及溶蚀作用对岩石裂隙隙腔形貌各特征指标的影响，来确定加载方式和溶蚀过程对岩石裂隙法向变形、切向变形和渗流特性的影响。借助隙腔形貌特征指标，将变形或溶蚀过程中岩石裂隙的力学及渗流特性系统起来，对岩石裂隙变形及渗流的工程实践及数值计算有一定指导意义。

岩石裂隙的变形与渗流是岩土工程领域的重要课题之一，由于隙腔（裂隙空腔）形貌的复杂多变，岩石裂隙变形及渗流机理尚不完全清楚，本课题基于隙腔形貌研究岩石裂隙的变形与渗流特性。(1)利用自行研制的辐射型渗流系统，试验研究了粗晶大理岩、细晶大理岩、灰岩和中砂岩4个圆柱形岩样张拉裂隙渗流特性及加载历史的影响。根据不同的接触状态及流域分布，裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流三个阶段；单位水头流量与法向应力呈负幂函数关系，随法向应力增加而降低，后续循环加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低；单位水头流量变化与力学隙宽变化量呈指数关系，指数范围为1.93~2.60，可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系；后续循环加载下，相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低；等效力学隙宽与水力隙宽呈分段的线性关系，修正的立方定律在相应分段内成立。(2)在分析岩石裂隙法向变形机理的基础上，结合试验曲线循环滞后及形状特点，探讨了岩石裂隙在法向循环加载下的本构关系。试验得到了粗晶及细晶大理岩裂隙15个循环的加卸载应力-闭合曲线，平移所有加卸载曲线使其低应力端点通过原点后，采用4参数双曲线-幂函数方程拟合所有曲线。加载累计闭合量和卸载残余闭合量与循环次数存在较好的指数函数关系，可确定循环加卸载拟合曲线的两个端点；通过初次拟合得到加卸载曲线幂函数项指数与循环次数的关系，再假定各加卸载拟合曲线通过循环加卸载拟合曲线两端点，获得幂函数系数的表达式；最后通过2次拟合先后确定加卸载曲线最大隙宽及初始刚度与循环次数的关系式。将各循环加卸载曲线的3个参数拟合值代入双曲线-幂函数表达式，并平移各拟合曲线使其通过加卸载拟合曲线的两个端点，可得到拟合精度较好的连续拟合曲线。(3)通过分析岩石裂隙法向蠕变机理、进行干燥及渗流情况下岩石裂隙法向蠕变试验，探讨了岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响。研究表明：岩石裂隙法向蠕变不能决定岩石裂隙渗流能力的降低，水力冲蚀作用明显时，可能产生裂隙渗流能力随裂隙法向压缩而增大的情况;(4)通过对7块煤-页岩原生结构面的剪切试验研究了煤-页岩结构面的摩擦特性及法向变形特征。煤-页岩结构面首次剪应力与法向应力之比-剪切位移曲线为非单调曲线。假设拟合曲线均通过峰值点，采用复合函数和双曲线函数分别拟合了峰前曲线和峰后曲线。研究结果对工程岩体裂隙变形及渗流数值计算及理论分析有一定指导意义。