低渗透岩石渗流-应力-流变耦合力学特性及渗透演化规律的试验研究

The research on the permeability and coupled solid-fluid mechanical properties of low permeability rock, is of great significance for large underground rock engineering such as oil and gas storage engineering, nuclear waste disposal engineering and hydraulic engineering. The study focus on the gas permeability and coupling properties of low permeability rock permeability during the coupled solid-fluid process using a new triaxial seepage-stress-rheology coupling machine developed in our laboratory. Using the gas permeability method, a series of laboratory seepage-stress coupling tests are carried out to investigate the permeability of low permeable rocks and their seepage-stress coupling properties. Moreover, the evolution law of permeability during the creep process is studied. The time-dependent deformation and failure mechanism are revealed. The result could provide an experimental basis for the evaluation of strength and deformation properties as well as permeability evolution of engineering rock mass. Based on the flow-stress coupling test results, in the framework of poromechanics, the constitutive model describing the coupling behavior will be proposed. The results of this study would further provide a theoretical basis for long-term stability analysis and safety evaluation of underground rock engineering under complicated conditions.

低渗透岩石渗流-流变耦合力学特性及渗透性演化规律的研究是当前岩石力学与工程领域的前沿问题，对大型地下岩石工程如石油天然气开采和储存工程、核废料处置工程、水利水电大型地下硐室工程有着重要的意义。本项目拟通过实验室最新开发的低渗透岩石渗流应力耦合流变仪，采用气体渗透方法，开展低渗透岩石在复杂应力下的渗流应力耦合长短期室内试验，研究其在长期流变过程中的耦合力学特性及渗透演化规律，揭示低渗透岩石在渗流应力耦合条件下的时效变形及破坏机理，为长期条件下工程岩体强度变形特性及渗透性的分析提供试验支撑。基于试验结果，在孔隙介质力学的框架下，建立能反映低渗透岩石渗流-应力耦合时效力学特性的本构模型及渗透性演化模型。本项目的研究将为大型地下岩石工程复杂条件下的长期稳定性分析与评价提供试验和理论基础。

本项目通过实验室开发的低渗透岩石渗流应力耦合流变仪，采用气体渗透方法，开展低渗透岩石在复杂应力下的渗流应力耦合长短期室内试验研究。经过本项目4年持续不断的深入研究，取得了如下成果：.（1）采用开发的低渗透岩石三轴气体渗透流变仪，采用不同的气体渗透性测定方法对复杂应力加载条件下的低渗透岩石的渗透性进行标定研究，给出了不同渗透性测定技术的标定方法及适用范围。.（2）基于气体渗透的岩石三轴渗流应力耦合实验系统，对不同致密岩石（花岗岩、砂岩、凝灰岩）进行气渗和水渗条件下的常规三轴渗流应力耦合试验及渗流应力耦合流变试验以及循环加卸载试验，提出了流固耦合作用下岩石常规和流变破坏的力学机理以及渗透演化规律。.（3）基于低渗透岩石室内短、长期渗流应力耦合试验的结果，运用孔隙介质力学、有效应力原理和分数阶理论，建立了能反映低渗透岩石时效变形特性和渗流-应力耦合力学特性的非线性弹塑性损伤模型和时效本构模型。.（4）在国内外学术交流方面：在基金的资助下去法国里尔大学、巴黎路桥大学进行了交流访问，针对岩石宏细观力学模型以及渗透性测试方法等方面进行了合作研究和讨论；参加了国内外本领域重要学术会议近20次，如法国巴黎举办的Geoproc2017，15thIACMAG会议，第一届和第二届MSMF国际国际，International symposium on Multi-physics study of hydro-dynamically induced landsides，以及第15-17次中国岩石力学与工程学术年会，第4-5届国际多尺度岩土力学与地下工程研讨会和第四届全国岩土本构理论研讨会等。.（5）本课题共发表见刊或录用的论文共计20篇，其中SCI论文9篇，EI论文7篇，其他论文4篇；负责人为第一或通讯作者发表的论文11篇，其中SCI论文5篇，EI论文5篇。已培养毕业硕士研究生6名，协助培养博士生2名；授权发明专利5项，申请发明专利3项。并获得江苏省科学技术二等奖1项，排名第7，水力发电科学技术奖一等奖1项，排名第4。.综上，本课题在自然科学基金项目的资助下，圆满完成了各项工作任务，取得了高质量的研究成果，达到了预期研究目标。