›› 2013, Vol. 34 ›› Issue (7): 1913-1922.

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

考虑接触面积影响的粗糙节理渗流分析

肖维民1, 2,夏才初1, 2,王 伟3,卞跃威1, 2   

  1. 1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;2. 同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092; 3. 上海市闵行区建设工程安全质量监督站,上海 201100
  • 收稿日期:2012-06-23 出版日期:2013-07-10 发布日期:2013-07-15
  • 作者简介:肖维民,男,1983年生,博士研究生,主要从事工程岩体节理力学、地下结构和边坡工程防治方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No. 40972178,No. 40472142)。

Analysis of fluid flow through a rough joint considering effect of contact area

XIAO Wei-min1, 2,XIA Cai-chu1, 2,WANG Wei3,BIAN Yue-wei1, 2   

  1. 1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3.Construction Safety and Quality Supervision Station, Minhang Sub-station, Shanghai 201100, China
  • Received:2012-06-23 Online:2013-07-10 Published:2013-07-15

摘要: 节理中接触面积的存在使得渗流曲折效应更加明显,将对渗流产生显著影响。为了研究节理接触面积对节理渗流的影响,建立节理渗流概念模型,推导得到了节理渗流的接触面积影响系数;然后在节理渗流计算公式中引入该影响系数,得到了考虑接触面积影响的渗流计算公式。同时,由于接触面积的存在使得渗流曲折因子的计算更为复杂,在获得节理隙宽分布的基础上提出了计算节理渗流曲折因子的五点比较法。然后以人工大理岩节理试件为研究对象,在获得其三维表面形貌的基础上,一方面对其进行不同接触状态下5级法向应力作用下的渗流试验;另一方面,在根据节理试件的三维表面形貌数据计算节理的渗流平均曲折因子和接触面积比的基础上,分别采用考虑接触面积影响的渗流计算公式和Zimmerman计算公式对节理试件在不同法向应力作用下的渗流体积流量进行计算,并将计算结果与实测值进行比较。结果表明:考虑接触面积影响的渗流计算公式计算结果与实测值吻合较好,从而验证了考虑接触面积影响的渗流计算公式的正确性,而Zimmerman计算公式高估了节理的渗流流量。

关键词: 岩石力学, 粗糙节理, 闭合变形, 隙宽, 曲折因子, 接触面积

Abstract: The contact area will make flow tortuosity more obvious and influence the flow rate significantly. In order to investigate the effect of contact area on fluid flow through joint, a conceptual flow model is established to obtain the contact influential coefficient. And the influential coefficient is introduced into the equation for flow rate calculation considering the effect of tortuosity; a new equation considering the effect of contact area is derived. As the contact area makes the calculation of tortuosity coefficient more complicated, an algorithm for calculating the average tortuosity coefficient is proposed based on the joint aperture distribution. An artificial marble joint is taken as an object and the surface topography data are scanned. In one hand, flow tests are carried out on the joint specimen under five levels of normal stresses. In the other hand, on the basis of the average tortuosity coefficients and contact area ratios of joint specimen under five levels of normal stresses calculated according to the joint surface topography data, the volumetric flow rates through joint specimen are predicted by the new equation considering contact area presented in this paper and Zimmerman's equation, respectively. Then the predictions of the two equations are compared with experimental observations. It is shown from the comparison results that the predictions of the new equation agree well with experimental observations, while Zimmerman's equation overestimates the flow rate through the joint, thus validating the veracity of the new equation.

Key words: rock mechanics, rough joint, closure deformation, aperture, tortuosity coefficient, contact area

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[1] 张艳博, 孙林, 姚旭龙, 梁鹏, 田宝柱, 刘祥鑫, . 花岗岩破裂过程声发射关键信号时 频特征试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 157-165.
[2] 大久保诚介, 汤 杨, 许江, 彭守建, 陈灿灿, 严召松, . 3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3263-3273.
[3] 王鹏飞, 谭文辉, 马学文, 李子建, 刘景军, 武洋帆, . 不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙 渗流特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3062-3070.
[4] 张艳博, 梁鹏, 孙林, 田宝柱, 姚旭龙, 刘祥鑫, . 单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射 频谱特征试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2497-2506.
[5] 马秋峰, 秦跃平, 周天白, 杨小彬. 多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2673-2685.
[6] 田军, 卢高明, 冯夏庭, 李元辉, 张希巍. 主要造岩矿物微波敏感性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2066-2074.
[7] 金俊超, 佘成学, 尚朋阳. 基于应变软化指标的岩石非线性蠕变模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2239-2246.
[8] 苏国韶, 燕思周, 闫召富, 翟少彬, 燕柳斌, . 真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 1673-1682.
[9] 王 宇, 艾 芊, 李建林, 邓华锋, . 考虑不同影响因素的砂岩损伤特征 及其卸荷破坏细观特性研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1341-1350.
[10] 李晓照, 戚承志, 邵珠山, 屈小磊, . 基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1358-1367.
[11] 陈卫忠, 李翻翻, 马永尚, 雷 江, 于洪丹, 邢天海, 郑有雷, 贾晓东, . 并联型软岩温度-渗流-应力耦合三轴流变仪的研制[J]. 岩土力学, 2019, 40(3): 1213-1220.
[12] 郑广辉, 许金余, 王 鹏, 方新宇, 王佩玺, 闻 名, . 冻融循环作用下层理砂岩物理特性及劣化模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 632-641.
[13] 李静, 孔祥超, 宋明水, 汪勇, 王昊, 刘旭亮, . 储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性 及裂缝扩展影响研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4149-4156.
[14] 李晓照, 邵珠山, 戚承志, . 岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4249-4258.
[15] 金俊超, 佘成学, 尚朋阳. 硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数 及剪胀角演化模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4401-4411.
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[1] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[2] 马文涛. 基于灰色最小二乘支持向量机的边坡位移预测[J]. , 2010, 31(5): 1670 -1674 .
[3] 于琳琳,徐学燕,邱明国,闫自利,李鹏飞. 冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响[J]. , 2010, 31(8): 2448 -2452 .
[4] 王 伟,刘必灯,周正华,王玉石,赵纪生. 刚度和阻尼频率相关的等效线性化方法[J]. , 2010, 31(12): 3928 -3933 .
[5] 王海波,徐 明,宋二祥. 基于硬化土模型的小应变本构模型研究[J]. , 2011, 32(1): 39 -43 .
[6] 曹光栩,宋二祥,徐 明. 山区机场高填方地基工后沉降变形简化算法[J]. , 2011, 32(S1): 1 -5 .
[7] 刘华丽 ,朱大勇 ,钱七虎 ,李宏伟. 边坡三维端部效应分析[J]. , 2011, 32(6): 1905 -1909 .
[8] 刘年平 ,王宏图 ,袁志刚 ,刘竟成. 砂土液化预测的Fisher判别模型及应用[J]. , 2012, 33(2): 554 -557 .
[9] 王卫东 ,李永辉 ,吴江斌 . 超长灌注桩桩-土界面剪切模型及其有限元模拟[J]. , 2012, 33(12): 3818 -3824 .
[10] 卫振海 ,王梦恕 ,张顶立 . 土结构强度模型研究[J]. , 2013, 34(1): 40 -46 .