高滲壓下巖石（體）滲透及力學(xué)特性試驗(yàn)研究.pdf

1、工程中涉及到高水壓條件的情況越來越多，國內(nèi)外由于巖石(體)滲流而造成工程失事的實(shí)例已有很多，高滲壓下巖石(體)力學(xué)、滲透特性研究已成為巖土工程中急待解決的前沿性課題。為研究高水頭壓力作用下巖石(體)的滲透特性、破壞機(jī)理和力學(xué)特性，筆者與課題組同志一起，開發(fā)研制了大型巖石滲透試驗(yàn)儀器。依托該套試驗(yàn)儀器，針對(duì)不同滲透、力學(xué)特性試樣進(jìn)行了較為系統(tǒng)的測(cè)試研究。本文取得的主要研究成果如下： (1)關(guān)于試驗(yàn)儀器方面，具有以下特點(diǎn)和創(chuàng)新：以成

2、都液壓伺服廠專利產(chǎn)品—靜態(tài)伺服閥為主要控制元件，實(shí)現(xiàn)了試樣進(jìn)水端水壓在完全脫離計(jì)算機(jī)控制條件可長(zhǎng)期保持不變；以精確測(cè)定滲出水體積變化量的方法，達(dá)到提高測(cè)試精度，縮短測(cè)試時(shí)間目的；試樣出水端水壓采用管路過濾器、調(diào)速閥系統(tǒng)控制流量大小基本不變，進(jìn)而在試樣進(jìn)水端形成穩(wěn)定的水壓大小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高孔隙水壓、小水力梯度的真實(shí)模擬；而試樣的軸向荷重、側(cè)向壓力分別采用兩套調(diào)速閥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的穩(wěn)定、精確控制。通過對(duì)計(jì)算機(jī)控制程序的改造升級(jí)，可通

3、過實(shí)時(shí)曲線或歷史曲線無限放大監(jiān)控試驗(yàn)過程，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)可任意修改、加長(zhǎng)操作命令而不影響整個(gè)試驗(yàn)過程，真正實(shí)現(xiàn)了高滲壓條件可控的各種加、卸載路徑試驗(yàn)測(cè)試研究。針對(duì)試樣滲透性測(cè)試，筆者提出了高水壓下試樣的密封，方柱體、重塑試樣高圍壓下滲透性測(cè)試方法。 (2)詳細(xì)闡述了高滲壓下各種應(yīng)力路徑滲透、力學(xué)特性試驗(yàn)的具體操作方法，為室內(nèi)滲透性及相關(guān)力學(xué)特性測(cè)試研究提出了一套行之有效的試驗(yàn)測(cè)試方法。 (3)試驗(yàn)證實(shí)了低滲透巖非達(dá)

4、西滲透現(xiàn)象是普遍存在的，根據(jù)其非線性曲線特點(diǎn)，按壓力梯度從高到低順序排序，提出以“三次平均法”進(jìn)行擬啟動(dòng)壓力梯度推算，并通過實(shí)例說明這種推算方法是可行的。 (4)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔隙性介質(zhì)，不論試樣的滲透性大小，圍壓升、降滲透性變化均處于同一數(shù)量級(jí)，說明滲透性越大的試樣受圍壓條件的影響性就越大；試樣軸向位移在圍壓升高時(shí)呈負(fù)值(拉伸狀態(tài))變化，圍壓降低時(shí)呈壓縮狀態(tài)，并且在圍壓降低各個(gè)階段的軸向位移值均可恢復(fù)到最初時(shí)的軸向位移大小，而試樣

5、的滲透性卻低于最初時(shí)圍壓升高時(shí)的大小；說明圍壓升、降過程滲透性變化主要受試樣側(cè)向彈塑性變形的影響。而裂隙性巖體圍壓升、降后滲透性變化特點(diǎn)卻完全不同，圍壓升高裂隙閉合，圍壓降低時(shí)并不能使閉合的裂隙滲流通道重新張開使?jié)B透性增大。 (5)首次提出了在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中，側(cè)向應(yīng)力是影響巖石(體)滲透性變化幅度大小的主要因素：在三軸加載應(yīng)力狀態(tài)下，側(cè)向應(yīng)力越小，其滲透性變化幅度越大；側(cè)向應(yīng)力越大，變化幅度則越小。針對(duì)同一巖性試樣，加載與卸

6、載過程滲透性變化特征差別不大，只要保持一定的側(cè)向應(yīng)力，全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲透系數(shù)變化存在一個(gè)極限值：針對(duì)一般巖石(體)試樣，滲透系數(shù)變化最大值不會(huì)超過10-5cm/s量級(jí)：而對(duì)于低滲透性大理巖，最大值一般不超過10-7cm/s量級(jí)。 (6)圍壓、壓力梯度的大小是影響巖石滲透性的主要外界因素。針對(duì)孔隙性介質(zhì)而言，壓力梯度對(duì)巖石滲透性影響遠(yuǎn)大于圍壓條件的影響；而出水端水壓大小對(duì)巖石的滲透性影響不大，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水壓差，采用出水端水壓

7、力為零的方式進(jìn)行滲透、力學(xué)試驗(yàn)研究。 (7)提出了高滲壓下巖石(體)抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法：首先把高滲壓下實(shí)測(cè)得到的一組σ1、σ3值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)有效應(yīng)力值，再加上這組數(shù)據(jù)峰值強(qiáng)度時(shí)的平均孔隙水壓后，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度計(jì)算。 (8)根據(jù)常規(guī)飽水三軸壓縮實(shí)測(cè)的σ1、σ3值，提出了按實(shí)際工程高滲壓條件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度計(jì)算的方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為從應(yīng)力角度進(jìn)行抗剪強(qiáng)度換算可以反映高滲壓狀態(tài)下巖石(體)的強(qiáng)度特征。 (9)通過對(duì)試樣彈

8、性階段不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力、應(yīng)變變化特征研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)向應(yīng)力保持不變時(shí)軸向應(yīng)力的加載或卸載，其應(yīng)力、變形特征符合胡克彈性定律；而當(dāng)側(cè)向應(yīng)力處于加載或卸載狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變特征則不符合胡克彈性定律?；诖耍岢鰩r體的工程力學(xué)參數(shù)取值應(yīng)基于試驗(yàn)基礎(chǔ)上，模擬工程實(shí)際所處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。 (10)在試驗(yàn)和莫爾—庫侖定律的基礎(chǔ)上，提出了卸載(包括高滲壓卸載)條件下巖石(體)的強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則：σ1+σ3=k(σ1-σ3)-b，