剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究摘要:通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。关键词：渗流力学，岩体裂隙，渗流，剪应力1.前言裂隙岩体的水力学特性对岩土工程活动产生重要影响，如石油、地热开采、化学物品、核废料的埋藏、矿井设计等，都不可避免地涉及到裂隙水运动的问题。如何有效地防止和利用裂隙水，弄清岩体中裂隙的渗流特性是必要的。岩体裂隙的渗流特性受应力、变形以及裂隙面几何参数的影响，正确把握裂隙岩体的固-液耦合特性，对于地下水运动的预测预报、洞室开挖的稳定性评价、预防人为诱发地震等均有很大的帮助。近年来，关于裂隙岩体渗流特性的研究已取得了很大的进展。目前，基于平行板模型导出的立方定律已广为岩土工程界所接受，许多学者进一步对立方定律的有效性做了大量研究，提出在考虑粗糙度的基础上，可用一系数对立方定律进行修正[1～3]。有关法向应力作用下，裂隙的渗流特性也进行了相当多的实验工作[4～6]。但是，对裂隙岩体渗流与剪应力耦合作用所做的研究很少。一方面，剪应力作用下裂隙面几何特征的变化比法向应力作用下更为复杂；另一方面，实验难度大。目前，有关的工作集中在2个方面：裂隙面受剪的力学机理研究和渗流-剪应力耦合机理研究。前者结合裂隙面形态，考虑不同法向应力作用下，研究裂隙面剪应力与剪切变形的关系，以及剪胀效应对裂隙力学隙宽的影响。后者研究剪切荷载作用下，裂隙面受力与变形对渗流的影响，进而找出剪应力与渗流的耦合机理。岩体裂隙剪切机理是渗流与剪应力耦合研究的基础，文[7]通过对一组相同裂隙面在不同方向的剪切特性研究指出，裂隙的剪切力学性质与裂隙面的几何特征密切相关，不同剪切方向所得到的剪切特性是相似的，但主要参数如峰值剪切强度、残余强度、剪胀率及峰值强度位移等因剪切方向不同而不同。文[8]研究了齿形粗糙裂隙受剪时的破坏机理，认为对于规则均匀的粗糙裂隙面，剪切荷载作用下，裂隙面呈脆性，且裂隙面难以剪动；而天然不规则裂隙面呈延性，抗剪强度小。文[9]研究了2个不同倾斜角度突起的剪切特性后认为，剪切荷载作用下，裂隙面上的各个粗糙突起渐次发挥作用，自然裂隙面的剪应力-剪切位移曲线可由裂隙面上单个突起的剪切曲线叠加而成。这些研究表明，裂隙岩体受剪时，裂隙面粗糙度是影响其剪切特性的主要因素。对于裂隙渗流-剪应力的耦合作用，文[10]做了方形试件的幅向流剪切实验。实验结果表明，剪切位移作用下裂隙面被剪胀，随着剪切位移的进一步增加，剪胀趋势变缓，剪切位移作用下，裂隙渗透系数的变化与剪胀特性是一致的。文[11]对软岩裂隙的剪切实验结果表明，剪切位移的增加，导致裂隙渗透性的降低。文[12]研究了不同粗糙裂隙的渗流剪切实验，得出渗透系数随剪切位移增加的曲线。目前，有关渗流-剪应力耦合作用的研究基本上是围绕不规则粗糙裂隙面进行的，实验所给出的剪切位移都在毫米级以上，甚至是厘米级，所得的成果主要是关于裂隙面剪胀后渗透系数或隙宽随剪切位移的变化关系，对于裂隙面剪动前剪应力对渗流的影响没有详尽的描述。本文用砂粒模拟均匀的人工粗糙裂隙，探讨了剪动前在剪应力作用下裂隙的渗流特性。2.实验2.1试件本文所用试件采自大冶铁矿结构致密的大理岩(容重26.6kN/m3、单轴抗压强度52.4MPa)，试件为圆盘形，直径290mm，高200mm，如图1所示，上、下面裂隙面均打磨光滑，在其上均匀铺上一层筛选过的细砂(粒径0.50～0.69mm)并用502胶胶结。试件采用中心孔进水，进水孔孔径为5mm；同时，上盘裂隙面距中心孔10mm对称的钻有4孔，孔径10mm，4孔在上盘表面并联于测压管上。2.2剪切实验装置实验所用的压剪渗透装置可分别施加和控制法向应力和剪应力。试件上、下盘分别用钢箍锚固，上盘和垂直千斤顶固定在框架上，使得上盘只能在垂直方向运动；下盘搁置在滚动支座上，下盘和滚动支座之间有良好的滚动性，其摩阻系数远小于裂隙面摩阻系数以及上盘和垂直千斤顶间的摩阻系数，这样，剪应力由于下盘和滚动支座间的摩擦引起的误差可以忽略。2.3加载与测量裂隙面法向应力和剪应力分别由垂直千斤顶和水平千斤顶来施加，并由2块精密压力表测荷载大小。实验前对千斤顶进行了标定，实际值/测量值的标定值为：1/2.3(垂直千斤顶)，1/24(水平千斤顶)。在试件上、下盘跨越裂缝对称架设4块垂直千分表，试件裂隙隙宽的变化可以通过千分表值的变化表现出来。同时，在垂直于剪应力方向对称架设2块水平千分表测裂隙的剪切位移。实际的隙宽变化值和剪切位移值均取其所测数据的平均值。实验采用水箱供水，水箱高度可以任意调节以便改变入渗水头，水箱上开有3个孔(进水孔、出水孔和水位平衡孔)。实验时，调节进水孔处水流大小，使得水位平衡孔有不间断的不饱和流，以保证实验过程中测压管水头的稳定，此时，水箱水位即在水位平衡孔处。实验所取得的水头值以测压管水头为准(测压管附有标尺)。2.4实验步骤实验共做了5级水头(30，55，78，102，130cm)。开始时，将水箱调节到预定高度，然后施加某级法向荷载(按0.214，0.414，0.614，0.814MPa的顺序施加)，测得零剪应力状态下的稳定流量。施加某级剪应力(0.05～0.30MPa)，测得相应的稳定流量值和各千分表的读数，然后施加下一级剪应力。3.实验结果与分析3.1渗流理论岩体裂隙的水力学性质与裂隙的几何特征密切相关，裂隙隙宽、粗糙度对其渗透性有很大影响。目前，单裂隙平行板水力模型在裂隙渗流研究中运用得最为广泛，它定性地描述了裂隙过流能力与隙宽的关系，即通常所谓的立方定律：式中：Q为流量；K为渗透系数；C为与试件尺寸有关的参数，对于幅向流，分别为试件的外径和内径；e为隙宽；ΔH为入渗水头；ν为运动粘滞性系数；g为重力加速度。通常，自然裂隙都是粗糙不平的，在考虑粗糙度的情况下，式(1)，(2)可改写成：式中：eh为水力隙宽。这样，即可建立渗透系数与流量的关系：3.2实验结果与分析3.2.1实验结果[13，14](1)渗透系数与剪应力根据实验数据绘出恒定法向应力(剪应力为零)条件下，裂隙流量与入渗水头的关系曲线如图2(a)所示。文中渗压最大值只有0.012MPa，相对于法向应力来说可以忽略，也即入渗水头对裂隙法向有效应力的影响很小，此时，由于法向有效应力的改变引起渗透系数的改变从而导致流量的变化很小，相对于入渗水头直接对流量产生的影响可以忽略。因此，在讨论图2(a)中流量与入渗水头关系时，可以不考虑法向有效应力的变化对流量的影响。从图2(a)可以看出，各级法向应力下裂隙流量与入渗水头近似呈线性关系。Q-HΔ的这种线性关系，说明了实验过程中裂隙水的运动特性符合达西定律，则式(4)，(5)对本文的实验结果是适用的。把实验参数D=29cm，d0=3cm，ν=0.00898cm2/s代入式(5)，有根据式(6)即可求出不同水头、法向应力和剪应力下的渗透系数值。绘出Kh-τ曲线如图2(b)～(f)所示。从图2(b)～(f)可以看出，法向应力对裂隙的渗透性有明显的影响，随着法向应力的增加，裂隙的渗透性降低。剪应力对裂隙渗透性的影响没有法向应力显著，裂隙渗透系数随剪应力的增加而降低，但降低的幅度比较有限，渗透系数-剪应力曲线有较好的线性关系。(2)隙宽与剪应力实验过程中发现，裂隙面剪动前裂隙隙宽随剪应力呈递减趋势，文中取水头为55cm时不同法向应力下的实验数据，绘出隙宽减小量与剪应力的曲线如图3所示。分析图3，法向应力恒定时，剪应力作用下裂隙隙宽减小，裂隙被剪缩，但隙宽的减小仅有几微米，而且隙宽的减小量与剪应力符合线性关系。3.2.2分析本文实验所施加的剪切荷载都较小，从裂隙隙宽和流量随剪应力增加而减小这一特征来看，裂隙面处于弹性阶段[15，16]。根据Barton公式[3]：式中：he为水力隙宽，E为力学隙宽，JRC为裂隙面粗糙系数。当隙宽有δ的微量变化时，有此时，裂隙渗透系数可表示为根据式(3)对实验数据进行分析可知，裂隙水力隙宽为120～190μm。可见，隙宽减小量δ相对于初始力学隙宽是一个微量。同时，由于裂隙面处在弹性阶段，裂隙面形态可以认为是不变的，即JRC=const，忽略高阶微量，于是式(9)可化为即式中：α为一个与裂隙面形态有关的常量。式(11)表明，渗透系数Kh与力学隙宽的变化量δ呈线性关系。至此，结合剪应力、渗透系数及隙宽变化量三者的关系可以看出，对于规则、均匀的粗糙裂隙面来说，裂隙面受剪后至剪动前的这一过程中，随着剪应力的增加，裂隙隙宽减小，裂隙的渗透性降低，裂隙渗透系数与剪应力的关系可以用线性来描述。4.结语已有的研究表明，裂隙在剪胀阶段渗透性的变化相当显著，渗透系数甚至会出现数量级方面的变化[10，12]，而裂隙面在剪缩阶段呈弹性状态，所承受的剪切荷载远小于其抗剪峰值强度，裂隙面的变形很小，这就决定了剪应力对裂隙渗透性的影响不会很大。从本文的实验结果来看，裂隙渗透系数随剪应力的增加而降低，但降低的幅度有限，此时裂隙隙宽也略有减小。裂隙面剪动前，裂隙渗透系数与剪应力之间可用线性关系来描述是合理的。5.参考文献：1LomizeGM.GlowinFracturedRocks[M].Mosoc：Gesenergoizdat，19512LouisC.Astudyofgroundwaterflowinjointedrockanditsinfluenceonthestabilityofrockmasses(RockMech.Res.Rep.10)[R].London：Imp.Coll.，19693BantonN，BandisS，BakhtarK.Strength，deformationandconductivitycouplingofrockjoints[J].Int.J.RockMech.Min.Sci.andGeomech.Abstr.，1985，22(3)：121～1404刘继山，单裂隙受正应力作用时的渗流公式[J]，水文地质工程地质，1987，14(2)：28～325速宝玉，詹美礼，王媛，裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究[J].岩土工程学报，1997，19(4)：73～776TsangYW，WitherspoonPA.Hydromechanicalbehaviorofadeformablerockfracturesubjecttonormalstress[J].J.Geophys.Research，1981，86(B10)：9287～92987GentierS，RissJ，ArchambaultG.Influenceoffracturegeometryonshearbehavior[J].Int.J.RockMech.andMin.Sci.，2000，37：161～1748HaberfieldCMJohnsonIW.Amechanistically-basedmodelforroughrockjoints[J].Int.J.RockMech.Min.Sci.andGeomech.Abstr.，1994，31：279～2929YangZYChiangDY.Anexperimentalstudyontheprogressiveshearbehaviorofrockjointswithtooth-shapedasperities[J].Int.J.RockMech.andMin.Sci.，2000，37：1247～125910EsakiT，DuS，MitaniY，etal.Developmentofashear-flowtestapparatusanddeterminationofcoupledpropertiesforasinglerockjoint[J].Int.J.RockMech.andMin.sci，1999，36：641～65