岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究

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1、第27卷第12期岩石力学与工程学报Vol.27No.122008年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.，2008岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究与数值分析12李博，蒋宇静(1.长崎大学生产科学研究科，日本长崎852–8521；2.长崎大学工学部，日本长崎852–8521)摘要：基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究

2、。考虑节理面上的接触领域的非透水性，用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律，以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。关键词：岩石力学；节理；剪切–渗流耦合；接触领域；数值模拟；可视化中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)12–2431–09EXPERIMENTALSTUDYANDNUMERICALANALYSISOFSHEARANDFLOWBEHAVIORSOFROCKWIT

3、HSINGLEJOINT12LIBo，JIANGYujing(1.GraduateSchoolofScienceandTechnology，NagasakiUniversity，Nagasaki852–8521，Japan；2.FacultyofEngineering，NagasakiUniversity，Nagasaki852–8521，Japan)Abstract：Thecoupledshear-flowbehaviorofrockjointsisanimportantissueinrockmec

4、hanics.Anumberofcoupledshear-flowtestswerecarriedoutunderdifferentnormalloadingconditions.Bymeansofvisualizationsystem，flowimagesduringshearprocessweretakenandprocessed.Usingthefiniteelementmethod，withaspecialalgorithmbytreatingthecontactareasaszero-ape

5、rtureelements，numericalsimulationsoffluidflowinjointswereconducted.Numericalsimulationsprovideagoodagreementwiththeflowrateobtainedfromtests，revealingthattheflowpathsandaperturedistributionsinajointchangeremarkablywithsheardisplacements，loadingcondition

6、sandjointsurfaceroughness.Keywords：rockmechanics；joints；shear-flowcoupling；contactareas；numericalsimulation；visualization问题中的一个重要组成部分。其中，作用在节理上1引言的垂直和剪切应力可以在很大程度上改变节理的内部空隙构造，从而影响节理的渗流特性。把握在岩在核废料地下处置场中，地下水作为一种环境石节理中由地下水的流动推动的放射性粒子的移动因素，对岩体的物理力学性质和热对流传输具有

7、重路径和移动时间，是确保核废料地下处置场安全性要影响。力学渗流(THM)耦合是温度场(thermal)、中的一个重要课题。渗流场(hydrological)和应力场(mechanical)三相耦合岩石节理剪切–渗流耦合试验可以定性和定量收稿日期：2008–08–07；修回日期：2008–09–16作者简介：李博(1981–)，男，2003年毕业于华中科技大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石节理力学性质方面的研究工作。E-mail：libo@stu.civil.nagasaki-u.ac.jp

8、•2432•岩石力学与工程学报2008年地研究发生在节理面上的力学渗流耦合问题，科研11[1～7]人员基于此做了大量的研究。但这些研究的大1218部分都基于恒定垂直荷载(constantnormalload，3CNL)的边界条件，对于深部地下空间，考虑了周围24岩体约束作用的恒定垂直刚度(constantnormal[8，9]75stiffness，CNS)条件更能反映实际的荷载情况。109近年，基于CNS条件的剪切–渗流耦合试验研究取[5～7]得了不少