剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

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1、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

2、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

3、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，

4、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-

5、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

6、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26.6 kN/m3、单轴抗压强度52.4 MPa)，试件为圆盘形，直径290 mm，高200 mm，如图1所示，上、下面裂隙面均打磨光滑，在其上均匀

7、铺上一层筛选过的细砂(粒径0.50～0.69 mm)并用502胶胶结。试件采用中心孔进水，进水孔孔径为5 mm；同时，上盘裂隙面距中心孔10 mm对称的钻有4孔，孔径10 mm，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

8、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