剪應力作用下巖體裂隙滲流特性研究VIP

1、無剪應力作用下巖體裂隙滲流特性研究無剪應力作用下巖體裂隙滲流特性研究摘要:通過對規(guī)則、均勻、粗糙裂隙的滲流剪切實驗，結合裂隙面受剪時的力學機理，研究了巖體裂隙在剪切荷載作用下的滲流特性，并對裂隙剪縮階段過流能力的變化進行了探討。實驗結果表明，剪切荷載作用下，裂隙在剪動前滲透性隨剪應力的增加而降低，且滲透系數(shù)與剪應力有十分明顯的線性關系。關鍵詞：滲流力學，巖體裂隙，滲流，剪應力1. 前言裂隙巖體的水力學特性對巖土工程活動產(chǎn)生重要影響，如石油、地熱開采、化學物品、核廢料的埋藏、礦井設計等，都不可避免地涉及到裂隙水運動的問題。如何有效地防止和利用裂隙水，弄清巖體中裂隙的滲流特性是必要的。巖體裂隙的滲

2、流特性受應力、變形以及裂隙面幾何參數(shù)的影響， 正確把握裂隙巖體的固-液耦合特性， 對于地下水運動的預測預報、洞室開挖的穩(wěn)定性評價、預防人為誘發(fā)地震等均有很大的幫助。近年來，關于裂隙巖體滲流特性的研究已取得了很大的進展。目前，基于平行板模型導出的立方定律已廣為巖土工程界所接受，許多學者進一步對立方定律的有效性做了大量研究，提出在考慮粗糙度的基礎上，可用一系數(shù)對立方定律進行修正13。有關法向應力作用下，裂隙的滲流特性也進行了相當多的實驗工作46。但是，對裂隙巖體滲流與剪應力耦合作用所做的研究很少。 一方面， 剪應力作用下裂隙面幾何特征的變化比法向應力作用下更為復雜；另一方面，實驗難度大。目前，有關

3、的工作集中在 2 個方面：裂隙面受剪的力學機理研究和滲流-剪應力耦合機理研究。 前者結合裂隙面形態(tài)， 考慮不同法向應力作用下，研究裂隙面剪應力與剪切變形的關系， 以及剪脹效應對裂隙力學隙寬的影響。 后者研究剪切荷載作用下，裂隙面受力與變形對滲流的影響，進而找出剪應力與滲流的耦合機理。巖體裂隙剪切機理是滲流與剪應力耦合研究的基礎，文7通過對一組相同裂隙面在不同方向的剪切特性研究指出， 裂隙的剪切力學性質與裂隙面的幾何特征密切相關， 不同剪切方向所得到的剪切特性是相似的，但主要參數(shù)如峰值剪切強度、殘余強度、剪脹率及峰值強度位移等因剪切方向不同而不同。文8研究了齒形粗糙裂隙受剪時的破壞機理，認為對于

4、規(guī)則均勻的粗糙裂隙面，剪切荷載作用下，裂隙面呈脆性，且裂隙面難以剪動；而天然不規(guī)則裂隙面呈延性，抗剪強度小。文9研究了 2 個不同傾斜角度突起的剪切特性后認為，剪切荷載作用下，裂隙面上的各個粗糙突起漸次發(fā)揮作用，自然裂隙面的剪應力-剪切位移曲線可由裂隙面上單個突起的剪切曲線疊加而成。這些研究表明，裂隙巖體受剪時，裂隙面粗糙度是影響其剪切特性的主要因素。對于裂隙滲流-剪應力的耦合作用，文10做了方形試件的幅向流剪切實驗。實驗結果表明，剪切位移作用下裂隙面被剪脹，隨著剪切位移的進一步增加，剪脹趨勢變緩，剪切位移作用下，裂隙滲透系數(shù)的變化與剪脹特性是一致的。文11對軟巖裂隙的剪切實驗結果表明，剪切位

5、移的增加，導致裂隙滲透性的降低。文12研究了不同粗糙裂隙的滲流剪切實驗，得出滲透系數(shù)隨剪切位移增加的曲線。目前， 有關滲流-剪應力耦合作用的研究基本上是圍繞不規(guī)則粗糙裂隙面進行的， 實驗所給出的剪切位移都在毫米級以上， 甚至是厘米級， 所得的成果主要是關于裂隙面剪脹后滲透系數(shù)或隙寬隨剪切位移的變化關系，對于裂隙面剪動前剪應力對滲流的影響沒有詳盡的描述。本文用砂粒模擬均勻的人工粗糙裂隙，探討了剪動前在剪應力作用下裂隙的滲流特性。2. 實驗2.1 試件本文所用試件采自大冶鐵礦結構致密的大理巖(容重 26.6kN/m3、單軸抗壓強度52.4MPa)，試件為圓盤形，直徑 290mm，高 200mm，如

6、圖 1 所示，上、下面裂隙面均打磨光滑，在其上均勻鋪上一層篩選過的細砂(粒徑 0.500.69mm)并用 502 膠膠結。試無件采用中心孔進水，進水孔孔徑為 5mm；同時，上盤裂隙面距中心孔 10mm 對稱的鉆有 4孔，孔徑 10mm，4 孔在上盤表面并聯(lián)于測壓管上。2.2 剪切實驗裝置實驗所用的壓剪滲透裝置可分別施加和控制法向應力和剪應力。試件上、下盤分別用鋼箍錨固，上盤和垂直千斤頂固定在框架上，使得上盤只能在垂直方向運動；下盤擱置在滾動支座上， 下盤和滾動支座之間有良好的滾動性， 其摩阻系數(shù)遠小于裂隙面摩阻系數(shù)以及上盤和垂直千斤頂間的摩阻系數(shù)， 這樣， 剪應力由于下盤和滾動支座間的摩擦引起

7、的誤差可以忽略。2.3 加載與測量裂隙面法向應力和剪應力分別由垂直千斤頂和水平千斤頂來施加，并由 2 塊精密壓力表測荷載大小。 實驗前對千斤頂進行了標定， 實際值/測量值的標定值為： 1/2.3(垂直千斤頂)，1/24(水平千斤頂)。在試件上、下盤跨越裂縫對稱架設 4 塊垂直千分表，試件裂隙隙寬的變化可以通過千分表值的變化表現(xiàn)出來。 同時， 在垂直于剪應力方向對稱架設 2 塊水平千分表測裂隙的剪切位移。實際的隙寬變化值和剪切位移值均取其所測數(shù)據(jù)的平均值。實驗采用水箱供水， 水箱高度可以任意調節(jié)以便改變?nèi)霛B水頭， 水箱上開有 3 個孔(進水孔、出水孔和水位平衡孔)。實驗時，調節(jié)進水孔處水流大小，

8、使得水位平衡孔有不間斷的不飽和流，以保證實驗過程中測壓管水頭的穩(wěn)定，此時，水箱水位即在水位平衡孔處。實驗所取得的水頭值以測壓管水頭為準(測壓管附有標尺)。2.4 實驗步驟實驗共做了 5 級水頭(30，55，78，102，130cm)。開始時，將水箱調節(jié)到預定高度，然后施加某級法向荷載(按 0.214，0.414，0.614，0.814MPa 的順序施加)，測得零剪應力狀態(tài)下的穩(wěn)定流量。施加某級剪應力(0.050.30MPa)，測得相應的穩(wěn)定流量值和各千分表的讀數(shù)，然后施加下一級剪應力。3. 實驗結果與分析3.1 滲流理論巖體裂隙的水力學性質與裂隙的幾何特征密切相關， 裂隙隙寬、 粗糙度對其滲透

9、性有很大影響。目前，單裂隙平行板水力模型在裂隙滲流研究中運用得最為廣泛，它定性地描述了裂隙過流能力與隙寬的關系，即通常所謂的立方定律：無式中： Q 為流量； K 為滲透系數(shù)； C 為與試件尺寸有關的參數(shù)， 對于幅向流，分別為試件的外徑和內(nèi)徑；e 為隙寬；H 為入滲水頭；為運動粘滯性系數(shù)；g 為重力加速度。通常，自然裂隙都是粗糙不平的，在考慮粗糙度的情況下，式(1)，(2)可改寫成：式中：eh 為水力隙寬。這樣，即可建立滲透系數(shù)與流量的關系：3.2實驗結果與分析3.2.1 實驗結果13，14(1)滲透系數(shù)與剪應力根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出恒定法向應力(剪應力為零)條件下，裂隙流量與入滲水頭的關系曲線如圖

10、2(a)所示。文中滲壓最大值只有 0.012MPa，相對于法向應力來說可以忽略，也即入滲水頭對裂隙法向有效應力的影響很小， 此時， 由于法向有效應力的改變引起滲透系數(shù)的改變從而導致流量的變化很小，相對于入滲水頭直接對流量產(chǎn)生的影響可以忽略。因此，在討論圖 2(a)中流量與入滲水頭關系時，可以不考慮法向有效應力的變化對流量的影響。從圖 2(a)可以看出，各級法向應力下裂隙流量與入滲水頭近似呈線性關系。Q-H的這種線性關系，說明了實驗過程中裂隙水的運動特性符合達西定律，則式(4)，(5)對本文的實驗結果是適用的。把實驗參數(shù) D=29cm，d0=3cm，=0.00898cm2/s 代入式(5)，有根

11、據(jù)式(6)即可求出不同水頭、法向應力和剪應力下的滲透系數(shù)值。繪出 Kh-曲線如圖2(b)(f)所示。從圖 2(b)(f)可以看出，法向應力對裂隙的滲透性有明顯的影響，隨著法向應力的增加，裂隙的滲透性降低。剪應力對裂隙滲透性的影響沒有法向應力顯著，裂隙滲透系數(shù)隨剪應力的增加而降低，但降低的幅度比較有限，滲透系數(shù)-剪應力曲線有較好的線性關系。(2)隙寬與剪應力實驗過程中發(fā)現(xiàn)，裂隙面剪動前裂隙隙寬隨剪應力呈遞減趨勢，文中取水頭為 55cm時不同法向應力下的實驗數(shù)據(jù)，繪出隙寬減小量與剪應力的曲線如圖 3 所示。分析圖 3，法向應力恒定時，剪應力作用下裂隙隙寬減小，裂隙被剪縮，但隙寬的減小無僅有幾微米，

12、而且隙寬的減小量與剪應力符合線性關系。3.2.2 分析本文實驗所施加的剪切荷載都較小，從裂隙隙寬和流量隨剪應力增加而減小這一特征來看，裂隙面處于彈性階段15，16。根據(jù) Barton 公式3：式中：he 為水力隙寬，E 為力學隙寬，JRC 為裂隙面粗糙系數(shù)。當隙寬有的微量變化時，有此時，裂隙滲透系數(shù)可表示為根據(jù)式(3)對實驗數(shù)據(jù)進行分析可知，裂隙水力隙寬為 120190m?？梢?，隙寬減小量相對于初始力學隙寬是一個微量。同時，由于裂隙面處在彈性階段，裂隙面形態(tài)可以認為是不變的，即 JRC=const，忽略高階微量，于是式(9)可化為即式中：為一個與裂隙面形態(tài)有關的常量。式(11)表明，滲透系數(shù)

13、Kh 與力學隙寬的變化量呈線性關系。至此，結合剪應力、滲透系數(shù)及隙寬變化量三者的關系可以看出，對于規(guī)則、均勻的粗糙裂隙面來說，裂隙面受剪后至剪動前的這一過程中，隨著剪應力的增加，裂隙隙寬減小，裂隙的滲透性降低，裂隙滲透系數(shù)與剪應力的關系可以用線性來描述。無4. 結語已有的研究表明，裂隙在剪脹階段滲透性的變化相當顯著，滲透系數(shù)甚至會出現(xiàn)數(shù)量級方面的變化10，12，而裂隙面在剪縮階段呈彈性狀態(tài)，所承受的剪切荷載遠小于其抗剪峰值強度，裂隙面的變形很小，這就決定了剪應力對裂隙滲透性的影響不會很大。從本文的實驗結果來看，裂隙滲透系數(shù)隨剪應力的增加而降低，但降低的幅度有限，此時裂隙隙寬也略有減小。裂隙面剪

14、動前，裂隙滲透系數(shù)與剪應力之間可用線性關系來描述是合理的。5.參考文獻：1Lomize G M. Glow inFracturedRocksM.Mosoc：Gesenergoizdat，19512LouisC.Astudyofgroundwaterflowinjointedrockanditsinfluenceonthestabilityofrockmasses(RockMech.Res.Rep.10)R.London：Imp.Coll.，1969無3BantonN，BandisS，BakhtarK.Strength，deformationandconductivitycouplingofro

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