深部裂隙岩体HM耦合作用下的声学特性与参数研究

由于对深地质和工程环境，特别是水-力(HM)耦合作用下裂隙岩体的声学特性尚不清楚，严重影响了深部岩石工程声学测试的分析效果。本项目拟采用特制的带渗透声波承压探头，对含宏观贯通裂隙和遍有微裂隙试样分别进行不同高围压、高水压和机械应力加载下的三轴伺服试验，同时实施岩样超声P、S波和渗透率实时监测。结合裂隙表面粗糙度观测和岩样整体CT扫描，重点研究HM耦合作用下裂隙岩石的声波传播机制和参数响应特征，以及声参数与岩石损伤和渗透性演化的表象关系。在试验基础上，依据接触面的波传播理论、裂隙渗流理论及统计理论，建立单裂隙位移不连续动力本构模型，并嵌入UDEC程序。对三轴试验、核废料处置北山预选区深孔声测井进行HM耦合过程和声传播的二维离散元模拟，与试验数据作比对分析验证，进一步揭示深部裂隙岩体HM耦合作用下的声学特性。项目研究成果将直接为深部围岩声学测试与评价提供理论基础和分析手段，具有重要的科学价值。

通过不同围压和渗透压组合条件下砂岩三轴压缩试验及渗透率、声发射实时监测，获得HM耦合作用下岩石渗透率、损伤与变形的表象关联，进而研究全应力–应变过程中渗透率、损伤与砂岩变形发展间的宏观关系，及高围压条件下渗透率、损伤与砂岩脆-延性转换之间的关联性。结合试验数值，利用PFC2D，从细观上模拟不同围压砂岩压缩变形过程中的声发射时空分布、孔隙尺寸分布，结合全过程曲线讨论砂岩声发射特性、孔隙结构变化与压缩变形过程的内在联系，并进行HM耦合离散元模拟。.试验结果表明：(1) 岩样初始渗透率、峰值强度随着HM耦合作用下围压与渗透压的改变而改变。(2) 岩样全应力–应变过程中，渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小，进入弹塑性阶段后，渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小三种不同的变化趋势。(3) 围压较高时，若形成局部压缩带，则岩样进入弹塑性阶段后，渗透率的变化趋势由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这两个主要因素共同决定。(4) 岩石微裂隙萌生、扩展对渗透率增大起积极作用，岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后，随围压增大渗透率由上升趋势变为下降的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响，在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的新现象。.模拟结果表明：(1) 围压效应对砂岩压缩变形过程和声发射时空分布有重要影响，是砂岩发生脆延转化的重要条件。低围压下砂岩压缩变形过程中体现脆性特征，以剪切带破坏为主，声发射经历“平静期”、“发展期”、“爆发期”和“回落期”。高围压下砂岩体现延性特征，以压缩带破坏为主，声发射在“爆发期”后没有明显的“回落期”，而呈现弥散分布的特征。(2) 低围压下砂岩出现贯通的剪切带，裂隙易张开，对渗流具有显著的促进作用。围压越高，砂岩试样的接触断裂数量和范围越大，裂隙数量增多，但裂隙和孔洞也容易被压密，从而对渗流起抑制作用。(3) 贯通的张开裂隙会大幅增加渗透性，而曲折间断的张开裂隙只会小幅增加渗透性，周围被闭合裂隙和压密的孔洞包裹的完全孤立的张开裂隙则对渗透性贡献很小。（4）HM耦合模拟结果显示，孔隙水压力在力学上对岩样起到软化作用，使峰值强度下降。渗透压的增大对砂岩内部微裂隙发育有明显促进作用，主要由张拉裂纹贡献。