剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究

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1、剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究摘要:通過對(duì)規(guī)則、均勻、粗糙裂隙的滲流剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)合裂隙面受剪時(shí)的力學(xué)機(jī)理，研究了巖體裂隙在剪切荷載作用下的滲流特性，并對(duì)裂隙剪縮階段過流能力的變化進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切荷載作用下，裂隙在剪動(dòng)前滲透性隨剪應(yīng)力的增加而降低，且滲透系數(shù)與剪應(yīng)力有十分明顯的線性關(guān)系。關(guān)鍵詞：滲流力學(xué)，巖體裂隙，滲流，剪應(yīng)力1.前言裂隙巖體的水力學(xué)特性對(duì)巖土工程活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，如石油、地?zé)衢_采、化學(xué)物品、核廢料的埋藏、礦井設(shè)計(jì)等，都不可避免地涉及到裂隙水運(yùn)動(dòng)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

2、性是必要的。巖體裂隙的滲流特性受應(yīng)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(duì)于地下水運(yùn)動(dòng)?的預(yù)測預(yù)報(bào)、洞室開挖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)防人為誘發(fā)地震等均有很大的幫助。近年來，關(guān)于裂隙巖體滲流特性的研究已取得了很大的進(jìn)展。目前，基于平行板模型導(dǎo)出的立方定律已廣為巖土工程界所接受，許多學(xué)者進(jìn)一步對(duì)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(chǔ)上，可用一系數(shù)對(duì)立方定律進(jìn)行修正[1～3]。有關(guān)法向應(yīng)力作用下，裂隙的滲流特性也進(jìn)行了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)工作[4～6]。但是，對(duì)裂隙巖體滲流與剪應(yīng)力耦合作用所做的研究很少。一方面，剪應(yīng)力作用下裂隙面幾何特征的變

3、化比法向應(yīng)力作用下更為復(fù)雜；另一方面，實(shí)驗(yàn)難度大。目前，有關(guān)的工作?集中在2個(gè)方面：裂隙面受剪的力學(xué)機(jī)理研究和滲流-剪應(yīng)力耦合機(jī)理研究。前者結(jié)合裂隙面形態(tài)，考慮不同法向應(yīng)力作用下，研究裂隙面剪應(yīng)力與剪切變形的關(guān)系，以及剪脹效應(yīng)對(duì)裂隙力學(xué)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(duì)滲流的影響，進(jìn)而找出剪應(yīng)力與滲流的耦合機(jī)?理。巖體裂隙剪切機(jī)理是滲流與剪應(yīng)力耦合研究的基礎(chǔ)，文[7]通過對(duì)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(xué)性質(zhì)與裂隙面的幾何特征密切相關(guān)，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(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、剪脹率及

4、峰值強(qiáng)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(shí)的破壞機(jī)理，認(rèn)為對(duì)于規(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(dòng)；而天然不規(guī)則裂隙面呈延性，抗剪強(qiáng)度小。文[9]研究了2個(gè)不同傾斜角度突起的剪切特性后認(rèn)為，剪切荷載作用下，裂隙面上的各個(gè)粗糙突起漸次發(fā)揮作用，自然裂隙面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線可由裂隙面上單個(gè)突起的剪切曲線疊加而成。這些研究表明，裂隙巖體受剪時(shí)，裂隙面粗糙度是影響其剪切特性的主要因素。對(duì)于裂隙滲流-剪應(yīng)力的耦合作用，文[10]做了方形試件的幅向流剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切位移作用下裂隙面被剪脹，隨著剪切位移

5、的進(jìn)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(duì)軟巖裂隙的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切位移的增加，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)，得出滲透系數(shù)隨剪切位移增加的曲線。目前，有關(guān)滲流-剪應(yīng)力耦合作用的研究基本上是圍繞不規(guī)則粗糙裂隙面進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)所給出的剪切位移都在毫米級(jí)以上，甚至是厘米級(jí)，所得的成果主要是關(guān)于裂隙面剪脹后滲透系數(shù)或隙寬隨剪切位移的變化關(guān)系，對(duì)于裂隙面剪動(dòng)前剪應(yīng)力對(duì)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(dòng)前在剪應(yīng)力作用下裂隙的滲流特性。2.實(shí)驗(yàn)2.1試

6、件本文所用試件采自大冶鐵礦結(jié)構(gòu)致密的大理巖(容重26.6?kN/m3、單軸抗壓強(qiáng)度52.4?MPa)，試件為圓盤形，直徑290?mm，高200?mm，如圖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(xì)砂(粒徑0.50～0.69?mm)并用502膠膠結(jié)。試件采用中心孔進(jìn)水，進(jìn)水孔孔徑為5?mm；同時(shí)，上盤裂隙面距中心孔10?mm對(duì)稱的鉆有4孔，孔徑10?mm，4孔在上盤表面并聯(lián)于測壓管上。2.2剪切實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)所用的壓剪滲透裝置可分別施加和控制法向應(yīng)力和剪應(yīng)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(yùn)動(dòng)；下盤

7、擱置在滾動(dòng)支座上，下盤和滾動(dòng)支座之間有良好的滾動(dòng)性，其摩阻系數(shù)遠(yuǎn)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(yīng)力由于下盤和滾動(dòng)支座間的摩擦引起的誤差可以忽略。2.3加載與測量裂隙面法向應(yīng)力和剪應(yīng)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(shí)驗(yàn)前對(duì)千斤頂進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)際值/測量值的標(biāo)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(duì)稱架設(shè)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(shí)，在垂直于剪應(yīng)力方向?qū)ΨQ架設(shè)2塊水平千分表測裂隙的剪切位移。實(shí)際的隙寬變化值和剪切位移值

8、均取其所測