岩石应力_渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用_尹立明

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相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用

相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用赵鹏翔;贺斌雷;肖鹏;张远琛;高锦彪【摘要】为开展采动覆岩破断与卸压瓦斯运移规律的三维物理相似模拟实验,在渗流系数能量控制模型的基础上,研制出相似材料渗流-能量特性真三轴实验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能及实验方法.结果表明,该系统可由液压加载系统控制对试件所施加的三轴应力,利用多元测试系统对试件压缩过程中油缸的推出力、试件压缩轴向变形量、压缩过程的气体流量及主裂隙导通时的能量耗散进行实时监测,通过对不同配比相似材料试件的真三轴加载实验,研究三轴压缩相似材料的渗流-能量特性为进一步开展采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移多物理场耦合规律奠定了实验基础.%According to the 3D physical simulation experiment on the falling process of the overlying rocks in fully-mechanized top-coal caving stope and unloading pressure gas migration rule,we developed a true triaxial experiment system of the similar material seepage-energy characteristics based on energy control model of seepage coefficient.And introduced the main structure and function of the system and the experimental method.The specimen is imposed the triaxial stress by the controlled hydraulic loading system.It is real-time monitored by the multivariate testing system that the stress of the compressed samples,the axial deformation launch of the compressed specimen,the compressed gas flow and the energy dissipation of main fracture.The seepage-energy characteristics of the similar material is researched based on the true triaxial loading experiment for the different ratio of similar material specimen when it is compressed.The results will provide experimentalfoundation for the further development of rock fracture evolution and the coupled law of pressure relief gas transport and rock fracture evolution.【期刊名称】《西安科技大学学报》【年(卷),期】2017(037)004【总页数】7页(P522-528)【关键词】真三轴实验系统;气体渗流;能量耗散;相似材料【作者】赵鹏翔;贺斌雷;肖鹏;张远琛;高锦彪【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054;西安科技大学安全科学与工程学院,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】TD712对于煤炭开采过程而言，由于地质构造应力的作用，使其所处的环境往往为三向不等压状态。

岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

（５）可视化系统设备当具有自然岩石断裂节理表面特征的丙烯酸试件在试验中被用作断裂节理试件的上半部分时，由于丙烯酸的透明性，水在断裂节理内的流动影像可通过上部试件的剪切盒观察孔观测到，用ＣＣＤ摄像机来记录其流动过程。在该试验中，用染过色的水代替普通水来进一步提高水在断裂节理中流动路径和状态的可视化。２．２数控伺服系统的建立数控系统使用了参数自调节的ＰＩＤｆＰ为比例、Ｉ为积分、Ｄ为微分）控制技术，基于电脑和Ｉ／Ｏ部件，采用ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司的ＬａｂＶＩＥＷ图形化编程语言构建了一个测控剪切试验的虚拟仪器，对垂直荷载和剪切荷载的闭合电液伺服回路系统进行统一监控，同时进行多路数据采集、存贮、数据处理和曲线显示。ＬａｂＶｌＥＷ采用强大的图形化语言（Ｇ语言）编程，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。线性的前馈预测采用ＰＩＤ控制，而系统则采用位移型ＰＩＤ控制，以剪切速度恒定控制为标准：垂直荷载的高精度液压同步控制同样也采用位移型ＰＩＤ控制来实现。剪切试验装置通过接受反馈信号值使负载一侧的操作能跟进指令值，从而实现高速实时数据采集与复杂控Ｎ（ｘｏｏＨｚ）。在大量的人工及自然节理直接剪切试验中，ＰＩＤ控制稳定性得到了验证。恒定法向刚度边界条件是采用一个位于控制系统软件内的闭合循环来实现的，同时配合电子和水力伺服控制。控制和测量的非线性反馈分析在一ＰＣ机窗口上来实现，通过一个多功能模拟数字、数字模拟、数字输入输出控制面板（Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ和ＤＩＯ）。收集到的试验数据包括法向应力、剪切应力、相应的位移和加载圆柱体阀门水平加载和竖直加载的量值。２．３断裂节理表面测量系统应用ＫＥＹＥＮＣＥ公司生产的岩石节理表面形状激光测试仪来量测断裂节理表面的粗糙度，该仪器的精度为＋２０ｇｍ．分辨率为１０ｌａｉｎ。在激光扫描过程中，Ｘ－Ｙ方向的平面定位坐标系统将附加到激光

一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪

科技资讯 2016 NO.11 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
专利推介
一种并联型岩石温度 - 渗流 - 应力耦合
三轴流变仪ຫໍສະໝຸດ 授权公告号：CN205317590U 授权公告日：2016.06.15 专利权人：中国科学院武汉岩土力学研究所地址：430000湖北省武汉市武昌区水果湖街小红山2号发明人：陈卫忠；马永尚；于洪丹；李翻翻；雷江 Int.Cl.：G01N3/12(2006.01)I
摘要：该实用新型涉及一种并联型岩石温度-渗流-应力耦合三轴流变仪，包括加载框架，加载框架内设有若干三轴压力室，各三轴压力室的压头分别与轴压伺服控制系统连接，各个三轴压力室通过油管与围压伺服控制系统连接；各三轴压力室内的试样通过水管与孔压伺服控制系统连接；各个三轴压力室的外壁上设有电加热部，电加热部与温度控制系统连接；轴压伺服控制系统、围压伺服控制系统、孔压伺服控制系统、和温度控制系统均和数据采集与控制系统通过电路连接，数据采集与控制系统实时控制试样的应力场、渗流场和温度场，以测量试样在不同的温度-渗流-应力耦合条件下的流变变形。本实用新型可以同时进行多组不同温度-渗流-应力耦合条件下的流变试验。
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岩石力学三轴应力测试系统及其应用

岩石力学三轴应力测试系统及其应用
路保平;张传进
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】1995(023)004
【摘要】三轴应力测试系统可以模拟井下状态，对岩样进行力学、声学、变形、破碎等各种应力特性进行系统的测量。

本文详细介绍了该系统的组成、功能及其测量参数在油气钻井与开发工程等工业领域的应用。

【总页数】5页(P42-46)
【作者】路保平;张传进
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.真三轴实验下梁宝寺煤矿掘进工作面煤体应力—渗流关系研究及应用 [J], 郭阳阳;孙路路;王鹏飞;冯如训
2.三维地应力测试系统及其在深部软岩中的应用研究 [J], 纪杰;刘泉声;朱元广;蒋景东
3.标准应力路径三轴测试系统及其在K0固结试验中的应用 [J], 董筱波;袁磊;等
4.三维全场应力应变测试系统在开采沉陷模拟实验中的应用 [J], 王卫军;蔡来良;李霈
5.岩石力学真三轴虚拟仿真平台搭建与实验教学应用 [J], 王强;杨成祥;陈天宇;田军
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岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法[发明专利]

专利名称：岩石真三轴应力-渗流测试装置及方法专利类型：发明专利
发明人：陈江湛,李夕兵,黄麟淇,尹土兵
申请号：CN202010764849.1
申请日：20200803
公开号：CN111707538A
公开日：
20200925
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种岩石真三轴应力‑渗流测试装置及方法，该岩石真三轴应力‑渗流测试装置，包括分布于岩石试样六个表面的六块透明加压板，每块所述透明加压板的内部设有平面镜，外侧设有图像采集相机，所述平面镜的反射光路与入射光路呈90度夹角，所述图像采集相机设置在与其相对应的所述平面镜的反射光路上，所述岩石试样位于所述平面镜的入射光路上，其中两块相对设置的所述透明加压板上分别设有入渗流道和出渗流道。

本申请可以实现岩石试样加载过程中渗透特性的可视化监测。

申请人：中南大学
地址：410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
国籍：CN
代理机构：长沙市融智专利事务所(普通合伙)
代理人：谢浪
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基于渗流场与应力场耦合模型的岩溶隧道衬砌可靠度研究

３马口排隧道岩溶水基本分布情况
小；隧道穿越段发育的岩溶为岩溶垂直发育带，为岩溶水的补
３．１岩溶水分布特性
给区。根据整体布局，岩溶水对马口排隧道的影响较小，但在
岩溶水主要伴随着岩溶极发育地段分布，主要在溶蚀洼马口排隧道的洞身段应特别重视山体项部岩溶槽谷段，由于分
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｓｅｅｐａｇｅｆｉｅｌｄ；ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ；ｃｏｕｐｌｅｄｍｏｄｅｌ；ｋａｒｓｔｔｕｎｎｅｌ；ｌｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
随着国家对基础设施建设投资力度的加大，公路网扩张的地带，使得岩溶隧道建设成为关键性工程。但岩溶区地质情况
范围也越来越大。其中，多数公路经过山地、丘陵、岩溶发育复杂，隧道塌方，变形严重现象时有发生。因此，结合渗流场
收稿日期：２Ｏ１８＿ｏ４＿＿１０
与应力场耦合模型，对岩溶区隧道衬砌可靠度研究具有现实意
基金项目：国家自然科学基金（４１３７２２８９）
义。目前，许多学者对渗流场与应力场耦合模型进行研究。但
作者简介：尹洪亚（１９８０一），男，新疆乌苏人，高级工程师，主要大部分研究仅采用理论分析、数值模拟等技术手段对渗流场与
［中图分类号］Ｔｕ９１
［文献标志码］Ａ
［文章编号］１００１—５２３Ｘ（２０１８）１６＿＿０１１８＿Ｊ０３
ＳｔｕｄｙｏｎＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＫａｒｓｔＴｕｎｎｅｌＬｉｎｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＣｏｕｐｌｉｎｇＭｏｄｅｌｏｆ

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响尹光志;刘玉冰;李铭辉;邓博知;刘超;鲁俊【摘要】深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1 ＞σ2 ＞σ3),而采用常规三轴(σ1＞σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态.为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律.结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响.与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系.真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏.此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响.%During the process of deep coal mining,coal seams are generally under the true triaxial stress state (σ1 ＞σ2＞σ3),which is influenced by the crustal stress and strong excavation disturbance.The results of conventional traxial stress tests (σ1 ＞σ2 =σ3) could not correctly describe the in-situ condition.In order to more accurately replicate the stress environment of coal seams,the self-developed new multi-functional true triaxial fluid-solid coupling experiment system was applied to investigate the mechanical properties and permeability evolution of coal under true triaxial loading-unloading stress paths.The results show that the true triaxial loading-unloading stress path has a great influence on the deformation and failurebehavior,strength characteristics,permeability pared with the CCT stress path,the LUT and LUUT stress paths reduced the peak strengthof coal.The octahedral shear stress and the effective mean normal stress of coal can be linearly fitted.The failure modes of coal under different true triaxial loading-unloading paths were composite tensile-shearfailure.Additionally,true triaxial stress path has great influence on the permeability evolution of coal.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2018(043)001【总页数】6页(P131-136)【关键词】真三轴加卸载;应力路径;力学特性;渗透率【作者】尹光志;刘玉冰;李铭辉;邓博知;刘超;鲁俊【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030;重庆大学资源及环境科学学院,重庆400030【正文语种】中文随着我国煤炭资源开采深度的增加，越来越多的煤矿将进入深部开采阶段[1]。

渗流-应力耦合及降雨入渗作用下的边坡稳定性分析

渗流-应力耦合及降雨入渗作用下的边坡稳定性分析蔡亚飞;綦春明【摘要】为了探究地下水和降雨入渗对边坡稳定性的影响,在分析强度折减法原理和渗流-应力耦合机理的基础上,建立了渗流-应力耦合数学模型;运用有限元数值模拟软件ABAQUS,计算出无地下水、有地下水以及地下水和降雨入渗共同作用三种工况下的边坡安全系数,并探讨了不同粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、渗透系数、水头高度、降雨时间和降雨强度对边坡稳定性的影响.计算结果表明:地下水和降雨入渗会对边坡稳定性产生较大不利影响;边坡安全系数随粘聚力和内摩擦角的增大而增大,随水头高度、降雨时间和降雨强度增大而减小;而弹性模量、泊松比、各向同性的渗透系数对边坡安全系数几乎没有影响.【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(033)003【总页数】8页(P33-39,43)【关键词】渗流-应力耦合;降雨入渗;强度折减法;边坡稳定性【作者】蔡亚飞;綦春明【作者单位】南华大学土木工程学院,湖南衡阳421001;南华大学土木工程学院,湖南衡阳421001【正文语种】中文【中图分类】TU430 引言边坡稳定性分析是岩土工程中一个备受关注的工程课题。

由于各类滑坡、泥石流、溃坝等自然灾害会对人民的财产和生命安全造成巨大损失，因此如何高效、准确地分析各类边坡的稳定性就成了众多学者关注的课题。

地下水和降雨入渗往往是造成边坡失稳的重要原因，因此对地下水和降雨入渗作用下的边坡稳定性研究就有了实际的工程意义。

边坡稳定性的分析方法历经长时间的发展，已经演化出定性、定量和不确定性三大类分析方法[1]。

在众多边坡稳定性的分析方法中，有限元强度折减法因其原理简单、计算简便且易于在计算机软件中实现等优点而被许多学者应用到实际工程中[2-4]。

地下水在水头差的作用下会发生渗流运动，其渗流场和应力场之间会产生耦合效应[5-7]，进而影响边坡的稳定性；而降雨入渗会改变土体内饱和区域分布以及浸润面位置[8-10]，继而对边坡的稳定性产生影响。

裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究

裂隙岩体应力—损伤—渗流耦合理论、试验及工程应用研究裂隙岩体内部富含各种缺陷,包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面,这些存在的缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质,而且也严重影响着岩体的渗透特性,因而裂隙岩体具有复杂的力学特性和渗透特性。

应力-损伤-渗流耦合是指裂隙中的渗流水压力加剧岩体裂隙的起裂、扩展、贯通,导致岩体中应力场和损伤场的改变；而岩体应力的改变和岩体裂隙的损伤扩展,又导致裂隙岩体渗透特性变化,进而改变渗流场的分布。

本文重点研究了裂隙岩体的应力-损伤-渗流耦合过程,揭示了岩体裂隙在应力-损伤-渗流耦合状态下裂隙的起裂、扩展、贯通规律,探求了裂隙岩体在应力-损伤-渗流耦合状态下由于其裂隙的扩展贯通而导致破坏的机理,进而揭示了含水裂隙岩体失稳破坏的原因。

该耦合理论在预防采矿工程中的矿井突水、水利水电工程中的大坝失稳破坏以及水下隧道工程突(涌)水等方面有着广泛的应用前景。

本文结合国家重点基础研究发展973计划项目(2007CB209402：矿井突水的动力学特征及控制因素)和山东省黄金集团相关科研项目的共同资助下开展理论和应用研究,主要开展的研究工作如下：(1)理论分析研究：将断裂力学和损伤力学相结合,对渗透水压作用下裂隙岩体的损伤断裂力学性质进行研究；探讨压剪、拉剪应力状态下及渗透水压力作用下裂隙岩体中张开型裂纹闭合、起裂、分支裂纹扩展、相邻裂纹间岩桥断裂破坏及贯穿等的规律；给出渗透水压力-压(拉)剪应力共同作用下岩石裂隙变化发展规律。

(2)力学试验研究：设计制作含预置裂纹圆柱体岩石试样(φ50mm×100mm)的模具,可根据需要制作单、双预置裂纹的类岩石试件；在原有2000KN伺服试验机设备的基础上,设计开发三轴室、水压加载系统和围压加载系统,改进后的试验装置可完成完整类岩石试件应力应变-渗透率试验和渗透水压-应力耦合作用下含预置裂隙岩石试件破坏过程的试验；进行含预置裂隙类岩石试件的常规单轴试验并使用声发射仪对试验过程进行监测,并用离散元软件PFC对单轴试验过程进行数值模拟；运用RFPA-flow模拟分析在渗透水压力作用下,含预置裂隙岩石的破坏过程,并与试验结果进行了对比,通过应力场和渗流场的图形显示观察到岩石试件中裂纹的萌生、扩展、贯通直至整个结构破裂的全过程。

渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析

渗流-应力耦合下深埋引水隧洞变形稳定性分析王克忠;唐雨蔷;李伟平;孔令民;秦绍坤【摘要】隧洞开挖过程中,地下水渗流作用引起围岩应力重分布,其对围岩稳定性的影响不容忽视.依托日照市沭水东调引水隧洞工程,基于渗流-应力耦合理论,利用MIDAS-GTS有限元分析程序,对有无渗流作用下隧洞的开挖过程进行仿真分析,得出了隧洞开挖过程中围岩孔隙水压力分布及围岩变形规律.计算结果表明:开挖使一定范围内的围岩孔隙水压力降低,并导致围岩内孔隙水压力呈环形带状分布;渗流-应力耦合下围岩位移空间分布规律与未考虑孔隙水压力时相似,耦合作用对拱顶的竖向位移影响最大.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2016(044)002【总页数】5页(P207-211)【关键词】引水隧洞;开挖;渗流-应力耦合;孔隙水压力;位移【作者】王克忠;唐雨蔷;李伟平;孔令民;秦绍坤【作者单位】浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江省交通规划设计研究院浙江杭州310014;日照市供水工程管理处,山东日照276800;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV672+.1水在岩体中流动会改变岩体的原始应力状态，同时，岩体应力状态的变化又会影响岩体中水的流动特性,两者相互作用产生渗流-应力耦合现象[1-2].隧道工程施工过程中，渗流-应力耦合作用主要体现在隧道开挖后应力重分布所引起的原始应力场及渗流场的改变.目前，国内外学者对隧道岩体内的渗流-应力耦合分析开展了大量的理论研究，靳晓光等[3]在对越江隧道的渗流-应力耦合分析中，考虑了开挖过程中渗流边界的变化；刘仲秋等[4]对锦屏二级水电站深埋引水隧洞施工到运行的全过程进行了渗流-应力耦合数值模拟分析，并考虑了围岩和衬砌结构渗透系数及变形特性的动态变化；李术才等[5]利用研制的新型流固模型试验系统，结合新型流固耦合相似材料，对海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律进行了研究.纪佑军等[6]利用渗流-应力耦合数学模型，借助Comsol模拟隧道开挖中不同工况下围岩应力及地面沉降情况.黄涛等[7]借助含水裂隙岩体中地下水渗流场与地应力场之间的耦合作用，对裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法进行了研究.已有的研究表明，岩体中的渗流场和应力场耦合原理及过程极其复杂，现有的理论还不能完全解释实际工程中所出现的渗流应力及其破坏现象[8-12].笔者依托日照市沭水东调引水隧洞工程，利用MIDAS-GTS有限元分析软件建立数值模型，结合开挖过程中渗流边界的变化，确定合理的渗流-应力耦合数值模拟方法，获取孔隙水压力分布规律，分析开挖过程对渗流场的重分布及其演变规律，进一步获取围岩位移场的演化规律及其特征点的位移值.在MIDAS-GTS软件中，模型采用有限单元法求解渗流-应力耦合问题[13-14]，其求解步骤如下：1) 利用渗流控制方程求得水头函数H=H(x, y, z).在计算模型中，假定围岩为均质各向同性连续介质，渗流方式为稳定渗流，服从达西定律，其控制方程为式中：H为各计算点的总水头；kx，ky，kz分别为x，y，z各方向的初始渗透系数；Q为流量.2) 在渗流域内，利用前面得到的水头函数，计算相应的渗透压力和渗透体积力.由水力学原理可知渗透体积力的计算方式为式中：f为渗流体积力的大小；γw为水的容重；fx，fy，fz分别为x，y，z渗透体积力在方向的分力；Jx，Jy，Jz分别为x，y，z单元在方向的水力坡降.3) 在有限元分析中，将得到的渗透体积力以等效结点荷载的方式作用于岩体上，求解岩体的位移场和应力场.4) 将前一步计算得到的正应力值代入等效连续介质受荷载作用下的渗透系数矩阵中.一般情况下，渗透系数的变化设为应力的指数函数，因此，等效连续介质受荷载作用下的渗透系数矩阵为式中为渗流主轴的正应力[14]，代入后求得应力场影响下的渗透系数.5) 重复1)～4)步的计算，直至计算结果达到程序中给出的相应允许值.日照市沭水东调工程引水隧洞工程起点位于店子集镇工业园东北、何家庄村北；终点位于三庄镇西北、省道335北的三庄河左岸，隧洞全长约18.368 km，采用无压过流，洞身为城门洞形，毛洞断面尺寸为4.1 m×3.3 m加半圆拱，半圆拱直径4.1 m.整个隧洞分为入口段、洞身段以及出口段，其中大埋深段主要位于洞身段的东段，累计长度达6 km，最大埋深420 m左右，属于深埋小断面隧洞.隧洞洞身段沿线岩石分布大致可分为三段：西段岩性以安山质角砾石、长石砂岩和凝灰质长石砂岩为主；中段为白垩系与侵入岩群混合区域，岩性有长石砂岩、石英二长岩等；东段主要为侵入岩群，主要岩性为不等粒角闪石英二长岩、二长花岗岩和二长闪长岩等.岩体完整，节理裂隙较发育，裂隙面较平直光滑，连通性较好.以岩石强度、岩体完整性程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状等五项因素总和的总评分为基本依据，围岩强度应力比为限定判据，该岩体完整段围岩分类为II类，较完整段围岩分类为III类，破碎带及构造断裂带影响带围岩分类为IV类，构造断裂带围岩分类为V类.3.1 模型建立在数值模拟中，假定岩体为均质各向同性连续介质，模型范围：选取输水隧洞大埋深段，取其中100 m进行数值计算.该段隧洞穿越地层主要以花岗岩为主，地下水赋存、裂隙较发育，属弱-中等透水，围岩分类为II类.三维模型坐标原点位于模型中心剖面上输水隧洞横剖面顶拱的圆心处，该处实际高程为101.3 m，利用地形线生成曲面，用以模拟该段实际地表情况，确定该段最大埋深处实际高程为275 m.取隧洞轴线在水平面上的投影线为y轴，指向下游为正，x轴为水平面上垂直隧洞轴线方向，z轴以竖直向上为正.模型范围：-40 m≤x≤40 m，-50 m≤y≤50 m，z向原点以上取至地表，原点以下取30 m.采用MIDAS-GTS进行建模计算，模型为四面体剖分单元，单元数为55 938个，节点数为10 460 个.有限元分析本构关系采用弹塑性模型，计算采用Mohr-coulomb屈服准则，模型按全断面法开挖，每步开挖进尺5 m，共分20 个步骤开挖，采用锚喷支护，且支护滞后一个开挖施工步进行.MIDAS-GTS采用钝化单元来实现隧道的开挖，并采用激活单元实现支护的模拟.所谓钝化单元，即是此单元在该次计算中不发挥作用，相反，激活单元就是在计算中运用此单元.整个模拟过程：1) 初始地应力平衡，设置位移清零，得到初始应力场.2) 初始渗流分析，得到未开挖前的渗流场.3) 开挖一个施工步，即钝化相应的开挖土体单元.4) 开挖下一个施工步，并激活上一个施工步的支护单元，计算采用板单元模拟混凝土喷层，桁架单元模拟锚杆.应力计算的同时进行渗流计算，以此模拟渗流与应力的耦合作用.计算中不考虑开挖的时间效应.5) 重复以上步骤，直至施工结束.计算模型如图1所示.3.2 边界条件及参数确定根据实际情况，并结合静力学中相关连续介质模型有关应力边界、位移边界和混合边界的规定，设定边界条件如下：底面限制z向位移，左右侧面限制x向位移，前后面限制y向位移，上边界为自由面.渗流边界定义中，模型的左右两侧设置竖直方向的节点水头高度为80 m，底部边界为不透水边界，假定隧洞开挖前节点水头以下的围岩饱和，以上的围岩为非饱和.具体力学参数见表1，2.4.1 围岩孔隙水压力分布特征隧洞开挖改变了围岩的初始应力场,与此同时产生开挖松动区，并导致围岩损伤，节理裂隙进一步扩展.进而影响原岩内孔隙水压力的分布.利用MIDAS-GTS，对模型隧洞节点孔隙水压力进行监测，并将其开挖前后的孔隙水压力进行对比分析.对比分析结果见图2，未开挖时，地下水以静水压力的形式保持平衡，水平方向上孔隙水压力分布较均匀，且孔隙水压力随着深度增加而增加.开挖后，岩体内渗流场发生变化，隧洞周围较大范围内形成的孔隙水压力场重分布，隧洞掌子面及洞壁孔隙水压力为0 kPa.计算和监测均显示，靠近隧洞掌子面及洞壁的孔隙水压力梯度较大.图3为开挖后围岩孔隙水压力的分布图，其中等值线上孔隙水压力的数值单位为kPa，由图3可知:围岩孔隙水压力分布沿隧洞轮廓呈环形带状分布.4.2 围岩位移分布特征图4(a)是不考虑孔隙水压力时的围岩竖向位移等值线图，图4(b)是考虑孔隙水压力时的围岩竖向位移等值线图，图5(a)是不考虑孔隙水压力时的围岩水平位移等值线图，图5(b)是考虑孔隙水压力时的围岩水平位移等值线图.如图4所示，未考虑渗流-应力耦合作用时Y=0断面拱顶的沉降值为2.18 mm，底部隆起值为2.97 mm.考虑耦合作用时，拱顶沉降值为2.97 mm，增大了0.79 mm，底部隆起值为2.35 mm，减小了0.62 mm.图5中，考虑耦合作用的水平位移比未考虑时要小，减小量约为1 mm.由图5可知：隧洞在不考虑孔隙水压力的影响下开挖支护完成后，隧洞底部的隆起值大于拱顶沉降值.当考虑渗流场的影响时，拱顶的沉降值增大，底部的隆起值与水平位移值均有一定程度的减小.产生这种现象的原因：隧洞开挖后，隧洞底部岩体因为卸荷作用而产生向上位移，但考虑渗流作用时，因孔隙水压力降低产生的固结沉降将使底板的隆起值小于不考虑渗流时的隆起值.这说明，隧洞的变形并不完全受应力影响，围岩的固结变形对隧洞变形同样有一定程度的影响.为进一步确定渗流作用对围岩的影响，在数值计算过程中选取隧洞拱顶正上方不同的特征点进行沉降值监控，各监测特征点及对应坐标见表3.通过计算，得出节点随开挖推进的竖向沉降值.从图6中可以看出：随着开挖的推进，围岩拱顶的竖向位移从最初的增大到逐渐趋于稳定，其中，节点845为距开挖区域较近的特征点，三个特征点中其沉降值最大，在考虑渗流-应力耦合作用时，其沉降值有所增大，但增幅较小.而节点493，该特征点距离开挖区域较远，三个特征点中其沉降值最小，但考虑渗流-应力耦合作用时，其增幅最大.由图6可知：拱顶上方距离开挖区域越远的点沉降值越小，受应力耦合作用影响越大.隧洞开挖破坏了岩体的初始应力场，降低了岩体的孔隙水压力，且越靠近开挖临空面，孔隙水压力梯度变化越大.开挖后的围岩孔隙水压力分布沿隧洞轮廓呈环形带状分布；在渗流-应力耦合作用下，围岩的变形空间分布规律与未考虑孔隙水压力的情况相似，隧洞拱顶沉降值有所增大，而隧洞围岩水平收敛值和底部隆起值均有不同程度的减小，孔隙水压力产生的固结沉降对围岩的位移有很大的影响；对比开挖后的孔隙水压力分布图与位移分布图，从中可知，开挖对孔隙水压力的影响范围大于开挖对位移的影响范围；从孔隙水压力对围岩沉降值的影响来看，隧洞拱顶沉降值受孔隙水压力影响最大，且拱顶上方距离开挖区域越远的点，沉降值越小，受渗流-应力耦合作用的影响越大.因此，在深埋小断面引水隧洞中，拱顶的位移稳定性较差，应加强防护.【相关文献】[ 1] 何川，谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用[M].成都：西南交通大学出版社,2007.[2] 刘仲秋,章青.岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展[J].力学进展，2008,38(5):585-600.[3] 靳晓光,李晓红,张燕琼.越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析[J].水文地质工程地质,2010,37(1):62-67.[4] 刘仲秋,章青.考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):2147-2153.[5] 李术才,宋曙光,李利平,等.海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用[J].岩石力学与工程学报,2013,32(5):883-890.[6] 纪佑军,刘建军,程林松.考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟[J].岩土力学,2011,32(4):1229-1233.[7] 黄涛,杨立中.渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究[J].铁道学报,1999,21(6):75-80.[8] 王克忠,李仲奎.深埋长大引水隧洞三维物理模型渗透性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4):725-731.[9] 王克忠,王玉培,林峰,等.平行双隧道盾构法施工地表沉降仿真计算研究[J].浙江工业大学学报,2013,41(3):300-308.[10] 王克忠,程青云,王玉培,等.粉质砂性土地基中盾构区间隧道开挖过程数值计算研究[J].浙江工业大学学报,2012,40(5):587-590.[11] 张春阳,曹平,靳瑾,等.金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟[J].科技导报,2013,31(33):31-36.[12] 喻军,刘松玉.隧道洞口边坡变形控制与数值分析[J].浙江工业大学学报,2012,40(1):101-105.[13] 李新平,代翼飞,胡静.某岩溶隧道围岩稳定性及涌水量预测的流固耦合分析[J].山东大学学报,2009,39(4):1-6.[14] 魏纲,郭志威,魏新江,等.软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析[J].岩土力学,2010,31(s):383-387.。

应力—渗流耦合作用下损伤岩石渗流特性

染，得到孔隙和裂隙模型。其流程如图 4 所示。
图 4 孔隙和裂隙可视化步骤 Fig.4 Visualization steps of pores and fractures
2021 年 6 月第 29 卷·第 3 期 357
采选技术与矿山管理
1.4 试验方案在进行试验前，先清理预损岩样表面，并将其
中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1005-2518（2021）03-0355-09 DOI：10.11872/j. issn. 1005-2518.2021.03.204 引用格式：HU Jianhua，DONG Zhezhe，MA Shaowei，et al.Seepage Characteristics of Damaged Rock Under Stress-Seepage Cou‐ pling［J］.Gold Science and Technology，2021，29（3）：355-363. 胡建华，董喆喆，马少维，等 . 应力—渗流耦合作用下损伤岩石渗流特性［J］. 黄金科学技术，2021，29（3）：355-363.
根据岩石渗透率的大小和岩石应力—渗流耦合渗流特性，岩石大体上可划分为 2 种：（1）渗透率
大（如砂岩）的破裂岩石（胡大伟等，2010；李文亮等，2017）；（2）孔隙率低的低渗透率致密岩石（如花岗岩、页岩）（黄远智等，2007）。对于高渗透率岩石，以往研究多以砂岩为研究对象，重点分析了不同排水条件下岩石的强度特性及损伤演化规律（王伟等，2016；张俊文等，2019）。张培森等（2020）通过定义损伤指标，推导出岩石损伤指标与渗透率的关系式，揭示了渗透率随岩石损伤指标变化的演化规律；杨秀容等（2019）以破裂石灰岩为研究对象，分析了不同围压作用下破裂石灰岩渗透率随净围压和渗透压的变化特性。对于低渗透率致密岩石，以往研究多以花岗岩和页岩为研究对象，开展了三轴应力 — 渗流耦合试验（尹立明等，2014；胡少华等，2014；王伟等，2015；左宇军等，2018），分析了岩石在应力和应变过程中渗透率的变化规律。在理

岩石试验渗流应力耦合试验过程

岩石试验渗流应力耦合试验过程咱今儿个就来唠唠这岩石试验渗流应力耦合试验过程。

嘿，你可别小瞧了这玩意儿，就好像咱生活里那些看似简单却暗藏玄机的事儿一样。

想象一下啊，那岩石就像是个倔强的家伙，咱得想法子去研究它，了解它在各种情况下的反应。

这渗流应力耦合试验呢，就是咱探秘的重要手段。

一开始啊，咱得先把那岩石样本准备好，就跟给咱自个儿挑件合身的衣服似的，得精心挑选。

这可不是随便弄块石头就行的，得有代表性，得能反映出普遍情况。

然后呢，把这岩石放进专门的设备里，这设备就好比是个超级放大镜，能让咱看清岩石内部的各种小秘密。

接着，就开始施加各种应力，就好像给它来点压力，看看它能不能扛得住。

这时候啊，渗流也来凑热闹了。

水啊或者其他流体就开始在岩石里穿梭啦，就跟小老鼠在洞里跑来跑去似的。

咱就得观察这应力和渗流是怎么相互影响的，它们就像两个调皮的孩子，一会儿互相捣乱，一会儿又互相合作。

在这个过程中，咱可得瞪大眼睛仔细瞧，任何一个小细节都不能放过。

这可不是闹着玩的，一个小疏忽可能就导致整个试验结果都不准确啦。

你说这岩石试验渗流应力耦合试验是不是很有意思？就像我们生活中的很多事情一样，表面上看着普通，实际上却有着复杂的内在关系。

咱再想想，这岩石在地下经历着各种压力和水流的冲击，不也跟我们在生活中遇到各种困难和挑战一样吗？有时候我们得像那岩石一样坚强，去承受压力，去适应变化。

而且啊，通过这个试验，咱还能更好地了解大自然的奥秘。

知道那些山啊、石头啊是怎么形成的，怎么变化的。

这多神奇啊！总之啊，这岩石试验渗流应力耦合试验可不是随随便便就能完成的，得有耐心，得有细心，还得有专业知识。

就像我们做任何事情一样，只有认真对待，才能得到满意的结果。

你说是不是这个理儿呢？咱可不能小瞧了这些看似普通却意义重大的试验啊！它们可是为我们探索未知、了解世界提供了重要的途径呢！。

真三轴软岩非线性力学试验系统研制

第24卷第16期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.162005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，2005收稿日期：2005–05–09；修回日期：2005–06–16基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家基金委创新群体基金资助项目(50221402)；教育部科学技术研究重大项目(10405)作者简介：孙晓明(1970–)，男，博士，2002年于中国矿业大学(北京校区)岩土工程专业获博士学位，主要从事岩土工程与软岩工程力学方面的研究工作。

E-mail ：xiaoming_s@ 。

真三轴软岩非线性力学试验系统研制孙晓明1，何满潮1，刘成禹1，顾金才2，王树仁1，明治清2，景海河3(1. 中国矿业大学(北京校区) 岩土工程研究所，北京 100083；2. 中国人民解放军总参工程兵科研三所，河南洛阳 471023；3. 黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨 150027)摘要：根据深部软岩非线性力学行为研究的需要，针对目前的试验系统不能进行三向拉压、拉剪复合应力试验及加卸载过程模拟的不足，研制了一套能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟的试验系统。

介绍这一试验系统的主要结构、技术标准、功能和为取得满意的试验效果所研制和采用的减摩、传力和应力集中消除等技术，所述的试验系统为深入研究深部工程岩体的力学行为提供新手段。

关键词：岩石力学；深部软岩；复合应力状态；力学试验系统；关键技术中图分类号：TU 455 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)16–2870–05DEVELOPMENT OF NONLINEAR TRIAXIAL MECHANICALEXPERIMENT SYSTEM FOR SOFT ROCK SPECIMENSUN Xiao-ming 1，HE Man-chao 1，LIU Cheng-yu 1，GU Jin-cai 2，WANG Shu-ren 1，MING Zhi-qing 2，JING Hai-he 3(1. Institute of Geotechnical Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ； 2. The Third Science and Technology Institute of Engineers Corps ，General Staff of PLA ，Luoyang 471023，China ；3. Heilongjiang Institute of Science and Technology ，Harbin 150027，China )Abstract ：In consideration of the requirements for nonlinear mechanical behaviors of soft rock at depth ，the development of a new experimental system for rock mechanics is discussed ，which can perform the multiple composite tests of tension-compression and tension-shearing under the conditions of different loading processes including the common function such as uniaxial tension ，shearing ，uniaxial and triaxial compression tests. To overcome the deficiency of the current experimental system (for rock mechanics) that cannot perform the composite tests of tension-compression ，tension-shearing ，and different loading or unloading process simulations ，the main structures and functions of the system ，the technical indexes ，and the key technologies to achieve satisfactory experimental results such as reduction of friction force technology ，equal-transmitting force technology ，and stress-concentration elimination technology ，etc.，are introduced. The presented new experiment system can provide a new method to further study of mechanical behavior of rock mass at depth.Key words ：rock mechanics ；deep soft rock ；composite stress state ；mechanical experiment system ；key technology1 引言对工程岩体进行现场试验是对其力学行为进行深入研究的重要手段[1，2]。