脆塑性非完全充填裂隙滲流特性研究

張哲元 陳 鑫 張森森

（鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

應(yīng)力環(huán)境對(duì)巖體滲流場(chǎng)的影響顯著。巖石的脆、塑性性能體現(xiàn)出巨大的差異性[1]。陳金剛[2]等發(fā)現(xiàn)，非完全充填的情況下，充填裂隙的介質(zhì)在應(yīng)力到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，由縱向應(yīng)變向橫向應(yīng)變轉(zhuǎn)變。趙延林等[3]建立了巖體裂隙的滲流-斷裂耦合數(shù)學(xué)模型。王偉等[4]得出巖石滲透性的變化規(guī)律，各階段的滲透率隨有效圍壓的增大而減小，滲透率曲線形狀不變。

1 脆塑性材料滲流特性分析

由于充填介質(zhì)的存在，充填裂隙的滲流特性和力學(xué)特性在其變形過(guò)程中不斷發(fā)生變化，采用動(dòng)態(tài)特性分析能夠更準(zhǔn)確地描述非完全充填裂隙滲流特性。由于充填介質(zhì)的不同，采用物模試驗(yàn)研究的方法，脆塑性材料結(jié)合，利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，分析脆塑性非完全充填裂隙滲流特性，其表達(dá)式為：

式中：K為滲透率，n為充填介質(zhì)的孔隙率，β為系數(shù)，a為裂隙寬度，l為裂隙長(zhǎng)度。

當(dāng)滲流速度較小，在巖樣兩端壓力差ΔP基本穩(wěn)定時(shí)，充填裂隙滲透率可以用式（2）求得[5]：

式中：Q為流量，μ為泊松比，S為試樣橫截面積，ΔP為裂隙兩端壓力差。由式（1）、式（2）可得:

由材料力學(xué)知識(shí)，μ=εx/εy，εy=Δh0/h0，εy=σy/E其中：εx為橫向應(yīng)變，εy為縱向應(yīng)變，σx為橫向應(yīng)力，σy為縱向應(yīng)力，Δh0為高度改變量，h0為初始高度。并將其代入式（3）可得：

2 非完全充填裂隙滲流和變形試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備

充填裂隙壁模型采用長(zhǎng)方體，裂隙壁材料為水泥砂漿混合物，長(zhǎng)×寬×厚=100 mm×50 mm×20 mm。制備砂巖、橡皮，作為材料充填物。充填裂隙壁如圖1，充填劑試樣如圖2。

圖1 水泥砂漿裂隙壁試樣

圖2 部分充填劑試樣

試驗(yàn)儀器為萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該儀器最大施加載荷能達(dá)到200 kN，滿足試驗(yàn)所需的各項(xiàng)功能。萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)如圖3。

圖3 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)所需設(shè)備還包括水泵、水管、閥門、流量計(jì)等。

試驗(yàn)過(guò)程中，首先要檢查儀器萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是否能正常運(yùn)行，并調(diào)節(jié)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)初始化狀態(tài)和程序參數(shù)，之后將水泵、水管等設(shè)備進(jìn)行組裝。為使試驗(yàn)過(guò)程中水壓穩(wěn)定，需在此實(shí)驗(yàn)室的樓上放置一個(gè)水箱，放入1個(gè)水泵往水箱內(nèi)抽水，保證試驗(yàn)用水量低于水箱進(jìn)水量。試驗(yàn)流程圖如圖4。

圖4 試驗(yàn)流程圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用多種樣品，得到的試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）脆性非完全充填裂隙滲流應(yīng)力分析

脆性砂巖具有較好的力學(xué)性能，周祥[6]等研究了砂巖、泥巖等變形破壞過(guò)程中滲透率隨荷載變化規(guī)律，并對(duì)三軸滲流試驗(yàn)進(jìn)行探討，得出圍壓影響砂巖滲透的模型。通過(guò)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，砂巖滲流量最初水流的變化量不明顯，隨著位移的增大，水的流量開始緩慢減小，后由于破碎的砂巖介質(zhì)持續(xù)向裂隙空隙中充填，造成水的流量減小率越來(lái)越大，最終表現(xiàn)為流量快速下降。當(dāng)裂隙完全充填后，流量趨于最小值。砂巖充填裂隙滲流變形曲線如圖5。

圖5 砂巖充填裂隙滲流變形曲線

（2）彈塑性非完全充填裂隙滲流應(yīng)力分析

橡皮屬于疏松介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)疏松、易產(chǎn)生塑性變形的特性。對(duì)該介質(zhì)的非完全充填裂隙變形滲流曲線分析可得變化規(guī)律：在初始施加荷載時(shí)，橡皮產(chǎn)生的橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變，導(dǎo)致裂隙橫截面積縮小，所以流量下降；當(dāng)對(duì)裂隙壁施加的荷載達(dá)到橡皮屈服極限時(shí)，該填充介質(zhì)會(huì)發(fā)生變形并破壞，產(chǎn)生橡皮碎末并充填裂隙空隙，導(dǎo)致流量快速下降；當(dāng)橡皮介質(zhì)的碎屑全部充填完畢時(shí)，流量達(dá)到最小值。橡皮充填裂隙滲流變形曲線如圖6。

圖6 橡皮充填裂隙滲流變形曲線

3 結(jié)論

對(duì)脆塑性非完全充填裂隙采用側(cè)向約束和軸向壓縮的試驗(yàn)方式，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出下列結(jié)論：

（1）由于壓力的作用，充填介質(zhì)破碎并充填到裂隙空隙中，隨著空隙被慢慢填滿，水的流量發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

（2）隨著充填介質(zhì)寬度的減小，流量趨于最小值的位移也在減小。

（3）脆塑性充填介質(zhì)的材料性質(zhì)不同，使充填裂隙的滲流特性存在差異性。對(duì)于脆性充填介質(zhì)砂巖，非完全充填應(yīng)力-流量曲線表現(xiàn)為由基本穩(wěn)定到緩慢下降，后快速下降并趨于最小值。對(duì)于彈塑性充填介質(zhì)橡皮，非完全充填應(yīng)力-滲流曲線表現(xiàn)為先緩慢下降后快速下降并趨于最小值。

（4）充填介質(zhì)為砂巖和橡皮的脆性和彈塑性的充填裂隙滲流特性也存在相似性，表現(xiàn)為其非完全充填應(yīng)力-滲流曲線初始階段較為穩(wěn)定，隨著位移的增大，流量減小率逐漸增大，流量快速減小并趨于最小值。