致密巖石變形破壞過程中滲透率演化的試驗(yàn)研究

王 欣 徐衛(wèi)亞 賈朝軍

（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

自Biot［1］提出了有效應(yīng)力與滲流場(chǎng)之間關(guān)系以來，各國(guó)的學(xué)者在巖石滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合研究中取得了不少的成果.近年來以中高滲透性介質(zhì)為對(duì)象開展流固耦合滲流研究的較多，針對(duì)滲透率低于10－17m2的致密巖石研究則很少.由于巖體成因的多樣性，不同巖體的滲流場(chǎng)特征及物理化學(xué)特性差別十分顯著，使得試驗(yàn)研究成為了研究巖石滲流應(yīng)力耦合研究的基礎(chǔ)方法，對(duì)于低滲透率巖石也是如此.

荷載引起滲透率變化是巖石應(yīng)力滲流耦合研究的一個(gè)重要內(nèi)容.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石在全應(yīng)力－應(yīng)變過程中滲透規(guī)律的演化已進(jìn)行了比較廣泛和深入地探討.巖石變形引起的滲透率變化也已有完整的基于細(xì)觀機(jī)制上的解釋.Brace［2］通過對(duì)花崗巖進(jìn)行高壓狀態(tài)下的滲透性試驗(yàn)得出花崗巖的滲透性隨著有效圍壓、圍壓與孔隙壓差的增加而減小.Bieniawski（1967）和Paterson（1978）［3－4］將應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程劃分為5個(gè)階段.李世平等［5］用多種數(shù)學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到砂巖全應(yīng)力－應(yīng)變過程對(duì)應(yīng)的滲透率－應(yīng)變方程.朱珍德等［6］取花崗巖與灰?guī)r試樣分別進(jìn)行不同圍壓條件下全應(yīng)力－應(yīng)變過程滲流試驗(yàn)，指出巖石脆性巖石破壞前后不同變形階段的滲流特性.彭蘇萍等［7］試驗(yàn)分析了砂巖在全應(yīng)力－應(yīng)變過程中滲透率的變化規(guī)律，和不同圍壓下巖石的孔滲性與其所承受的有效側(cè)壓大小關(guān)系.王環(huán)玲等［8］對(duì)灰?guī)r和砂巖進(jìn)行了應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程滲透性試驗(yàn)，研究了巖樣變形和破壞過程中的軸向應(yīng)變與滲透率之間的關(guān)系，分析了巖樣環(huán)向應(yīng)變對(duì)滲透率的影響規(guī)律.發(fā)現(xiàn)滲透率－環(huán)向應(yīng)變曲線與滲透率－軸向應(yīng)變曲線有相同的變化趨勢(shì)，但巖石環(huán)向變形比軸向變形更能靈敏地反映滲透率的演化規(guī)律.姜振泉等［9－10］根據(jù)伺服試驗(yàn)獲得的滲透率－應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系提出臨界抗?jié)B強(qiáng)度和起始抗?jié)B強(qiáng)度兩個(gè)特征值，建立了峰值應(yīng)力前巖石滲透性－應(yīng)力關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式.

此外，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過不同的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法研究了巖石滲透性和應(yīng)力之間的關(guān)系并總結(jié)出了巖石滲透率與應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)公式［11－14］.由于試驗(yàn)儀器以及試驗(yàn)方法的限制，大部分研究都集中在砂巖等高滲透性的軟巖上，對(duì)致密脆性巖石的研究鮮有報(bào)道，另外，不同學(xué)者得出的結(jié)論與實(shí)際相差很大，為工程的應(yīng)用帶來極大的困難.

本文通過最新研制的自適應(yīng)全自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)致密脆性的花崗片麻巖開展了相同圍壓不同孔隙壓力下的滲透性試驗(yàn)，探討了應(yīng)力和滲壓等與滲透率的關(guān)系，為工程中滲流應(yīng)力耦合問題提供參考.

1 試驗(yàn)原理及方法

對(duì)滲流應(yīng)力耦合的研究概況起來有3種方法：1）以物理模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)值方法建立耦合關(guān)系；2）直接通過滲透性試驗(yàn)，總結(jié)滲透率與應(yīng)力或者應(yīng)變的關(guān)系；3）通過滲透性試驗(yàn)，假設(shè)一定的函數(shù)關(guān)系，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)確定變量的關(guān)系.可見試驗(yàn)對(duì)于滲流應(yīng)力耦合研究的重要性.由于巖石滲透性試驗(yàn)壓力較高，試樣密封性要好，同時(shí)對(duì)滲透率測(cè)量精度有較高的要求，國(guó)內(nèi)能做此類試驗(yàn)的儀器并不多.

1.1 試驗(yàn)原理

應(yīng)力滲流耦合試驗(yàn)在自適應(yīng)全自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該系統(tǒng)由河海大學(xué)與法國(guó)國(guó)家科研中心（CNRS）、法國(guó)里爾科技大學(xué)（USTL）共同研制而成，可進(jìn)行靜水壓縮、三軸排水壓縮、三軸不排水壓縮、滲透試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)等試驗(yàn)；可實(shí)現(xiàn)全程計(jì)算機(jī)控制與分析，保證試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確.滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)原理如圖1所示.

圖1 滲透性試驗(yàn)原理示意圖

其中，σ1為軸向壓力，σ3為圍壓，p1為試樣上端水壓，p2為下端水壓，巖石試樣上下兩端各有一塊透水鋼板，能使水壓均勻地作用于整個(gè)試樣端面.在滲透試驗(yàn)過程中，先施加一定的軸壓σ1，圍壓σ3，在巖樣兩端施加孔隙水壓p1＝p2＝p0，然后利用孔隙壓力系統(tǒng)在巖樣兩端形成孔隙壓力差Δp，從而水流通過試樣發(fā)生滲流，在試驗(yàn)中為了保證水不從橡膠套與巖樣之間流動(dòng)，始終保持p1＜σ3.

本試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，每施加一級(jí)軸向應(yīng)力，可以采集到試樣軸向變形、環(huán)向變形以及水壓泵隨時(shí)間的變化過程，因此可以依據(jù)所記錄的應(yīng)變以及滲透性數(shù)據(jù)，得到應(yīng)力－應(yīng)變和滲透性－應(yīng)變關(guān)系.

根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)darcy定律可以計(jì)算滲透率

式中，k為巖石的滲透率（darcy）；μ 為水的粘度；Q 為流量；L 為試樣的長(zhǎng)度；A 為試樣截面面積；Δp 為兩端水壓差.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試樣為取自青島某大型地下工程的晚元古界花崗片麻巖，淺肉紅色，主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、角閃石、黑云母等，中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體完整.編號(hào)分別為QDA－1，QDA－2，QDA－3.編號(hào)為QDA－1的試樣具有明顯的縱向裂隙，QDA－1，QDA－2比較完整.所有的試樣都在相同的圍壓條件下進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)所控制的參數(shù)：圍壓4.0MPa，孔隙壓力分別為1.0MPa，2.0MPa，3.0MPa.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)花崗片麻巖試樣進(jìn)行滲透特性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 試樣滲透率特征

2.2 滲透規(guī)律

根據(jù)計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出滲透率，由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)做出圖2所示應(yīng)變－滲透率曲線.

圖2 不同滲透壓力下的花崗片麻巖滲透率變化曲線

由圖2的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系可以看出，花崗片麻巖應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是一近似直線，直到試樣發(fā)生破壞為止，塑性階段不明顯，因此花崗片麻巖為一種脆性巖石.在4MPa圍壓下，不同滲壓的試樣滲透規(guī)律大致相同，在應(yīng)力加載初級(jí)階段，滲透率隨著應(yīng)變的增加而緩慢降低.這主要是由于巖石在結(jié)構(gòu)上是復(fù)雜的不連續(xù)體，存在孔隙和原生微裂隙，對(duì)巖樣施加應(yīng)力，使得裂隙壓密閉和，阻塞了滲流通道，試樣滲透率降低.在彈性工作階段，隨著軸向應(yīng)力的增加，巖樣發(fā)生彈性變形，在荷載和孔隙壓力的共同作用下，孔隙和裂隙進(jìn)一步被壓密，使得滲透率進(jìn)一步降低，并達(dá)到最低點(diǎn).隨著應(yīng)力的增加，軸向應(yīng)變繼續(xù)增大，試樣進(jìn)入屈服變形階段，此時(shí)巖石內(nèi)部萌生微裂隙，原生的微裂紋進(jìn)一步發(fā)生擴(kuò)展，為滲流提供了通道，因此滲透率開始增加.繼續(xù)加載，致使試樣發(fā)生變形破壞，微裂紋和微裂隙演化為宏觀裂隙，滲透率達(dá)到峰值.

2.3 不同滲壓下應(yīng)變－滲透率關(guān)系

由表1 可以看出，當(dāng)滲壓分別為1.0，2.0，3.0 MPa時(shí)，巖樣的最大滲透率分別為45.74，25.12，39.19darcy，而最小滲透率分別為2.37，0.08，0.02 darcy，為了更直觀地對(duì)比，對(duì)破壞前的巖樣的滲透率取平均值，大小分別為9.55，4.55，2.37darcy.如圖3所示，對(duì)于不同滲壓的巖樣，其滲透率表現(xiàn)出很大的離散性，這主要是由于巖石是一種多相的不連續(xù)介質(zhì)，滲流能力不僅與圍壓、軸向壓力、孔隙壓力等有關(guān)，與巖石中的裂隙、孔隙的發(fā)育情況有直接關(guān)系.

圖3 滲透率－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

試驗(yàn)表明，不同裂隙發(fā)育狀況的巖石的滲透率并不隨滲壓的增加而增加，由圖4可以看出，QDA－1巖樣具有明顯豎向發(fā)育裂隙，而QDA－2，QDA－3巖性比較完整，因而即使在較低滲透壓力下，依然具有較大的滲透率.

圖4 試樣圖片

2.4 致密脆性巖石變形破壞過程中滲透率演化

巖石是一種含有孔隙和裂隙的高度非均勻材料，在應(yīng)力作用下發(fā)生滲流是一個(gè)動(dòng)態(tài)的演化過程，滲流場(chǎng)的改變會(huì)引起應(yīng)力場(chǎng)的變化，應(yīng)力場(chǎng)的改變同時(shí)會(huì)對(duì)滲流場(chǎng)產(chǎn)生影響.

應(yīng)力－軸向應(yīng)變，滲透率－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線表明，直接耦合效應(yīng)很明顯.首先，當(dāng)發(fā)生應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)，巖體孔隙和裂隙中的水的平衡被打破，滲透壓力改變的同時(shí)，縫隙中水的質(zhì)量發(fā)生改變，其次，孔隙水壓力和孔隙水質(zhì)量的變化將引起巖體體積的變化和結(jié)構(gòu)的改變.同時(shí)針對(duì)致密脆性巖石，仔細(xì)比較圖2可以看出，在應(yīng)力加載后期，未發(fā)生屈服破壞之前，滲透率都有一個(gè)“突跳”現(xiàn)象.本文研究認(rèn)為主要是由于致密脆性花崗片麻巖本身微觀尺度上的性質(zhì)所致，巖石是一種含有孔隙、微裂隙等各種類型毛細(xì)管的多孔介質(zhì)，其中有一部分孔隙空間相互連通，流體可以在其中流動(dòng)，稱為有效孔隙；而不連通的孔隙空間或雖然連通但屬死端孔隙的這部分空間是無效孔隙空間［15］.在受力作用下，有效孔隙和無效孔隙體積都發(fā)生閉和，則滲透率開始減小，當(dāng)有效孔隙閉和到最小值時(shí)，滲透率也降到最低；進(jìn)一步受力，孔隙發(fā)生滑移，原生的無效孔隙集結(jié)在一起演化為大的有效孔隙，在該狀態(tài)下，滲透率會(huì)有一個(gè)突然增大，隨著進(jìn)一步的加載，原先演化的有效孔隙再次滑移而使得滲透率降低，此結(jié)論有待對(duì)花崗片麻巖細(xì)觀尺度的力學(xué)特性進(jìn)一步的研究.

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)所獲得的應(yīng)力－應(yīng)變和滲透率－應(yīng)變曲線表明應(yīng)力加載過程中，經(jīng)歷了孔隙和裂隙的壓密－彈性變形－屈服破壞階段，每一個(gè)階段滲透率的變化規(guī)律都不相同.壓密階段，隨著原生裂隙的閉和，滲透率降低；彈性階段，巖石發(fā)生彈性變形，孔隙和裂隙進(jìn)一步壓密，滲透率進(jìn)一步降低直至最低點(diǎn)；隨著軸向應(yīng)力的增加，巖石在外荷載和孔隙壓力的共同作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)微裂隙萌生和原始孔隙的擴(kuò)展并演變成宏觀裂紋，最終巖石發(fā)生破裂，滲透率也在此過程中增加.

2）致密脆性花崗片麻巖主要發(fā)生裂隙滲流，不同的孔隙壓力對(duì)巖石的滲透性產(chǎn)生影響.理論上，孔隙壓力越大，滲透率越大.但是試驗(yàn)表明，巖石的滲透率不僅與外界的圍壓、滲透壓力、軸向壓力有關(guān)，同時(shí)巖石本身結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)滲透率也會(huì)產(chǎn)生影響.當(dāng)孔隙壓力不大時(shí)，裂隙的發(fā)育程度與孔隙壓力相比對(duì)滲流占主導(dǎo)作用，裂隙發(fā)育程度越高，即使?jié)B透壓力較小的情況下，滲透性也越高.

3）環(huán)向應(yīng)變也可以反應(yīng)巖石變形破壞整個(gè)過程中的滲透率的演化規(guī)律，從試驗(yàn)結(jié)果看出，環(huán)向應(yīng)變比軸向應(yīng)變更能體現(xiàn)巖石發(fā)生軟化屈服破壞的過程；同時(shí)發(fā)生相同的滲透率變化時(shí)，環(huán)向變形響應(yīng)更加靈敏.因此為滲流應(yīng)力耦合提供了一個(gè)新的角度.

4）由應(yīng)力－軸向應(yīng)變和滲透率－軸向應(yīng)變總結(jié)致密脆性的花崗片麻巖的滲流應(yīng)力耦合機(jī)理，發(fā)生直接耦合效應(yīng)很明顯；發(fā)生屈服破壞之前的滲透率“突跳”現(xiàn)象的研究表明，其與巖石的微觀性質(zhì)有關(guān)，巖石內(nèi)部的孔隙分為有效孔隙和無效孔隙，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生孔隙的滑移，在此應(yīng)力加載階段，原生的無效孔隙集結(jié)在一起演化為大的有效孔隙會(huì)導(dǎo)致滲透率的突然增加.在大型地下工程滲流應(yīng)力耦合長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究當(dāng)中，為大型洞室在應(yīng)力作用下發(fā)生滲流破壞提供參考.

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