留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

岩体水力劈裂临界水压力影响因素及机理研究

刘得潭 沈振中 徐力群 邱莉婷 江婷

刘得潭, 沈振中, 徐力群, 邱莉婷, 江婷. 岩体水力劈裂临界水压力影响因素及机理研究[J]. 水利水运工程学报, 2018, (4): 30-37. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.005
引用本文: 刘得潭, 沈振中, 徐力群, 邱莉婷, 江婷. 岩体水力劈裂临界水压力影响因素及机理研究[J]. 水利水运工程学报, 2018, (4): 30-37. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.005
LIU Detan, SHEN Zhenzhong, XU Liqun, QIU Liting, JIANG Ting. Experimental studies on influence factors and mechanism of critical water pressure of hydraulic splitting in rock mass[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (4): 30-37. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.005
Citation: LIU Detan, SHEN Zhenzhong, XU Liqun, QIU Liting, JIANG Ting. Experimental studies on influence factors and mechanism of critical water pressure of hydraulic splitting in rock mass[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018, (4): 30-37. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.005

岩体水力劈裂临界水压力影响因素及机理研究

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.04.005
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51609073

江西省水利科技项目 KT201545

水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放研究基金资助项目 YK915007

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目 KYZZ15_0139

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目 KYZZ16_0284

详细信息
    作者简介:

    刘得潭(1993—),男,宁夏中卫人,硕士研究生,主要从事水工结构研究。E-mail:2456650534@qq.com

  • 中图分类号: TU457;TV313

Experimental studies on influence factors and mechanism of critical water pressure of hydraulic splitting in rock mass

  • 摘要: 为了研究材料强度、初始裂缝开度、初始缝长和轴向压应力对岩体水力劈裂临界水压力的影响,采用水泥砂浆作为岩体相似材料,进行岩体水力劈裂试验,探讨其水力劈裂破坏机理。试验结果表明,岩体水力劈裂临界水压力与材料强度和轴向压应力存在正相关关系,轴向压应力较材料强度对水力劈裂临界水压力影响大;水力劈裂临界水压力与初始裂缝开度、初始缝长呈负相关关系,初始缝长对水力劈裂临界水压力敏感性比初始裂缝开度大。随着缝内水压的增大,岩体初始裂缝的裂尖扩展,裂隙水流渗入到损伤劣化区,在裂隙水流的双重力学作用下,损伤区裂隙、孔隙扩展贯通形成宏观裂缝,宏观裂缝在缝内水流双重力学作用下,裂尖应力强度因子超过断裂韧度,岩体失稳破坏。
  • 图  1  试件形状及实物照片

    Figure  1.  Schematic diagram of specimen

    图  2  水密封装置

    Figure  2.  Water sealing device

    图  3  试件型式及加载方式

    Figure  3.  Specimen types and loading mode

    图  4  D-2-3试件水压及轴压加载过程

    Figure  4.  Process of water pressure and axial loading on D-2-3 specimen

    图  5  部分试样水力劈裂破坏形态

    Figure  5.  Fracture morphology of hydraulic splitting of some specimens

    图  6  水力劈裂临界水压力与材料强度关系

    Figure  6.  Relationships between critical water pressure of hydraulic splitting and material strength

    图  7  水力劈裂临界水压力与轴向压应力关系

    Figure  7.  Relationships between critical water pressure of hydraulic splitting and axial compressive stresses

    图  8  初始裂缝开度和初始缝长与水力劈裂临界水压力关系

    Figure  8.  Relationships among critical water pressure of hydraulic splitting and initial crack opening and slit length

    图  9  裂缝扩展过程中水流双重力学效应

    Figure  9.  Double mechanical effects of water flow during crack propagation

    表  1  试件基本参数及试验结果

    Table  1.   Basic parameters and test results of specimens

    方案 编号 试件尺寸 初始裂缝开度b/mm 初始缝长a/mm 数量/个 抗拉强度ft/MPa 轴压/kN σz/MPa Pc/MPa
    A A-1 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 1.09 0 0 0.915
    A-2 150 mm×150 mm×150 mm 4 50 3 1.09 0 0 0.695
    A-3 150 mm×150 mm×150 mm 6 50 3 1.09 0 0 0.441
    B B-1 150 mm×150 mm×150 mm 2 40 3 1.09 0 0 1.541
    B-2 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 1.09 0 0 0.915
    B-3 150 mm×150 mm×150 mm 2 60 3 1.09 0 0 0.582
    C C-1 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 1.17 0 0 1.067
    C-2 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 1.66 0 0 1.551
    C-3 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 2.31 0 0 2.000
    D D-1 150 mm×150 mm×150 mm 2 50 3 1.66 0 0 1.551
    D-2 150 mm×150 mm×300 mm 2 50 3 1.66 4.5 0.2 1.764
    D-3 150 mm×150 mm×300 mm 2 50 3 1.66 9.0 0.4 1.934
    下载: 导出CSV
  • [1] 倪小东, 赵帅龙, 王媛, 等.岩体水力劈裂的细观PFC-CFD联合分析[J].岩石力学与工程学报, 2015, 34(2): 3862-3870. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2015S2029.htm

    NI Xiaodong, ZHAO Shuailong, WANG Yuan, et al. Numerical analysis of hydraulic fracturing of rock mass on mesoscopic level by coupled PFC-CFD method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(2): 3862-3870. (in Chineses) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2015S2029.htm
    [2] 王媛, 颜青青.岩体水力劈裂非稳定渗流影响机制初探[J].岩石力学与工程学报, 2012, 31(10): 2016-2021. doi:  10.3969/j.issn.1000-6915.2012.10.006

    WANG Yuan, YAN Qingqing. Primary research of influence of unsteady seepage processes on hydraulic fracturing in rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 2016-2021. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-6915.2012.10.006
    [3] 蒋宇静, 李博, 王刚, 等.岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27(12): 2377-2386. doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.12.001

    JIANG Yujing, LI Bo, WANG Gang, et al. New advances in experimental study on seepage characteristics of rock fractures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(12): 2377-2386. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2008.12.001
    [4] 黄润秋, 王贤能, 陈龙生.深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(5): 572-576. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb200005006

    HUANG Runqiu, WANG Xianneng, CHEN Longseng. Hydro-splitting analysis of underground water in deep-lying tunnels and its effect on water gushing out[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(5): 572-576. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb200005006
    [5] PAPANASTASIOU P, THIERCELIN M. Influence of inelastic rock behavior in hydraulic fracturing[C]//The 34th US Symposiumon Rock Mechanics. University of Wisconsin-Madison, 1993: 339-342. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/014890629390102J
    [6] ITO T, HAYASHI K. Analysis of crack reopening behavior for hydrofrac stress measurement[C]//The 34th US Symposium on Rock Mechanics. University of Wisconsin-Madison, 1993: 335-338. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/014890629390101I
    [7] 陈勉, 庞飞, 金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(增刊1): 868-872. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb2000z1010

    CHEN Mian, PANG Fei, JIN Yan. Experiments and analysis of hydraulic fracturing by a large-size triaxial simulator[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(Suppl1): 868-872. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb2000z1010
    [8] 吴景浓.室内岩石水压致裂三轴试验研究[J].岩土工程学报, 1986, 8(4): 61-69. doi:  10.3321/j.issn:1000-4548.1986.04.008

    WU Jingnong. Research on laboratory triaxial test for rock hydrofracture[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1986, 8(4): 61-69. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-4548.1986.04.008
    [9] 蒲成志, 曹平, 陈瑜, 等.不同裂隙相对张开度下类岩石材料断裂试验与破坏机理[J].中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(8): 2394-2399. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201108036

    PU Chengzhi, CAO Ping, CHEN Yu, et al. Fracture test and failure mechanism of rock-like material of relatively different fracture apertures[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(8): 2394-2399. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201108036
    [10] 张波, 李术才, 杨学英, 等.含交叉多裂隙类岩石材料单轴压缩力学性能研究[J].岩石力学与工程学报, 2015, 34(9): 1777-1785. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201509008.htm

    ZHANG BO, LI Shucai, YANG Xueying, et al. Mechanical property of rock-like material with intersecting multi-flaws under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(9): 1777-1785. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201509008.htm
    [11] 李明田, 李术才, 杨磊, 等.类岩石材料表面裂纹扩展模式的实验研究[J].实验力学, 2009, 24(1): 21-26. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=sylx200901004

    LI Mingtian, LI Shucai, YANG Lei, et al. Experimental study of the surface crack propagation mode in rock-like materials[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2009, 24(1): 21-26. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=sylx200901004
    [12] 王国庆. 岩体水力劈裂试验及裂纹扩展的无单元法计算[D]. 南京: 河海大学, 2004.

    WANG Guoqing. Hydraulic fracture test and crack propagation simulation by element-free method[D]. Nanjing: Hohai University, 2004. (in Chinese)
    [13] 詹美礼, 岑建.岩体水力劈裂机制圆筒模型试验及解析理论研究[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26(6): 1173-1181. doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2007.06.011

    ZHAN Meili, CEN Jian. Experimental and analytical study on hydraulic fracturing of cylinder sample[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(6): 1173-1181. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2007.06.011
    [14] 谢兴华. 岩体水力劈裂机理试验及数值模拟研究[D]. 南京: 河海大学, 2004. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y671988

    XIE Xinghua. Experimental study on hydraulic fracture mechanism of mass and numerical simulation[D]. Nanjing: Hohai University, 2004. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y671988
    [15] 甘磊. 水工混凝土结构水力劈裂试验及数值模拟[D]. 南京: 河海大学, 2013.

    GAN Lei. Expermental and numerical simulation of hydraulic fracturing of hydraulic concrete[D]. Nanjing: Hohai University, 2013. (in Chinese)
    [16] 王国庆, 谢兴华, 速宝玉.岩体水力劈裂试验研究[J].采矿与安全工程学报, 2006, 23(4): 480-484. doi:  10.3969/j.issn.1673-3363.2006.04.024

    WANG Guoqing, XIE Xinghua, SU Baoyu. Experimental study of hydraulic fracturing of rock mass[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2006, 23(4): 480-484. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1673-3363.2006.04.024
    [17] 速宝玉, 谢兴华, 王国庆.水泥砂浆水力劈裂试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊1): 2952-2957. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb2006z1053

    SU Baoyu, XIE Xinghua, WANG Guoqing. Hydraulic fracture test on cement and sand mortar[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Suppl1): 2952-2957. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb2006z1053
    [18] 徐世烺.混凝土断裂力学[M].北京:科学出版社, 2011: 232-237.

    XU Shilang. Fracture mechanics of concrete[M]. Beijing: Science Press, 2011: 232-237. (in Chinese)
    [19] GRIFFITH A. 破坏理论[M]//水利水电科学院, 译. 混凝土的强度和破坏译文集. 北京: 水利出版社, 1982.
    [20] 徐力群. 多场耦合下水工混凝土结构裂缝扩展的无单元法分析模型[D]. 南京: 河海大学, 2010.

    GRIFFITH A. Failure theory[M]//Translated by China Institute of Water Resources and Hydropower Research. The Strength and Failure of Concrete Proceedings. Beijing: China Water & Power Press, 1982. (in Chinese)
    [21] XU Liqun. Analysis model of hydraulic concrete crack propagation by EFM under multi-field coupled conditions[D]. Nanjing: Hohai University, 2010. (in Chinese)
  • [1] 郑安兴, 潘国勇.  重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析 . 水利水运工程学报, 2022, (6): 95-102. doi: 10.12170/20220110003
    [2] 丁英勋, 王志亮, 黄佑鹏.  含充填节理岩体中应力波传播规律的三维模拟 . 水利水运工程学报, 2020, (6): 80-88. doi: 10.12170/20190529001
    [3] 胡良明, 李姝钰, 贾欣, 杨旭.  缝面水压力与地震作用下重力坝坝踵裂缝扩展数值模拟 . 水利水运工程学报, 2020, (5): 72-78. doi: 10.12170/20190907001
    [4] 于洋.  岩体隧洞岩爆过程微震特征及其扩展机制 . 水利水运工程学报, 2017, (1): 26-31. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.004
    [5] 谢京辉, 彭刚, 陈灯红, 操佩, 柳琪.  不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性 . 水利水运工程学报, 2017, (3): 99-106. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.014
    [6] 赵利安, 许振良.  粗砂浆体水平管道流动水力坡度预测研究 . 水利水运工程学报, 2013, (1): 71-75.
    [7] 郑志芳,李宗利,孙丽丽.  动力荷载作用下裂缝水力劈裂效应研究 . 水利水运工程学报, 2010, (2): -.
    [8] 程永舟,李建习,资津,何方.  风浪作用下库岸孔隙水压力响应试验研究 . 水利水运工程学报, 2008, (3): -.
    [9] 章定文,刘松玉.  土体中水力劈裂研究进展 . 水利水运工程学报, 2006, (2): 71-78.
    [10] 李宗利,任青文.  岩石混凝土类材料单裂纹水力劈裂研究述评 . 水利水运工程学报, 2005, (1): 67-74.
    [11] 方从严,卓家寿.  节理岩体数值仿真研究综述 . 水利水运工程学报, 2005, (2): 70-78.
    [12] 沈珠江.  岩土破损力学与双重介质模型 . 水利水运工程学报, 2002, (4): 1-6.
    [13] 崔玉柱,周元德,张楚汉,金峰.  坝肩岩体地震残余变形对小湾拱坝安全影响 . 水利水运工程学报, 2001, (3): 13-17.
    [14] 李定方,鄢俊,陈平.  岩体裂隙传导系数研究 . 水利水运工程学报, 1999, (4): 309-316.
    [15] 王洪涛,王恩志,金宜英.  裂隙岩体渗流耦合数值分析方法及其工程应用 . 水利水运工程学报, 1998, (4): -.
    [16] 于龙,陶同康.  岩体裂隙水流的运动规律 . 水利水运工程学报, 1997, (3): -.
    [17] 李定方,鄢俊,陶同康.  裂隙岩体渗流新模型 . 水利水运工程学报, 1996, (4): -.
    [18] 孔祥柏,吴济难.  非淹没丁坝动水压力研究 . 水利水运工程学报, 1992, (3): -.
    [19] 李祖贻,陈平.  裂隙岩体二维渗流计算 . 水利水运工程学报, 1992, (2): -.
    [20] 窦宜,李大梁.  SKY型孔隙水压力仪 . 水利水运工程学报, 1980, (4): -.
  • 加载中
图(9) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  702
  • HTML全文浏览量:  41
  • PDF下载量:  181
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-28
  • 刊出日期:  2018-08-01

/

返回文章
返回