高滲壓下巖石（體）滲透及力學(xué)特性試驗研究.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儀器。依托該套試驗儀器，針對不同滲透、力學(xué)特性試樣進行了較為系統(tǒng)的測試研究。本文取得的主要研究成果如下： (1)關(guān)于試驗儀器方面，具有以下特點和創(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，實現(xiàn)了試樣進水端水壓在完全脫離計算機控制條件可長期保持不變；以精確測定滲出水體積變化量的方法，達(dá)到提高測試精度，縮短測試時間目的；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，進而在試樣進水端形成穩(wěn)定的水壓大小，實現(xiàn)了對高孔隙水壓、小水力梯度的真實模擬；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)，實現(xiàn)了試驗過程的穩(wěn)定、精確控制。通過對計算機控制程序的改造升級，可通

3、過實時曲線或歷史曲線無限放大監(jiān)控試驗過程，根據(jù)實測數(shù)據(jù)變化特點可任意修改、加長操作命令而不影響整個試驗過程，真正實現(xiàn)了高滲壓條件可控的各種加、卸載路徑試驗測試研究。針對試樣滲透性測試，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)特性試驗的具體操作方法，為室內(nèi)滲透性及相關(guān)力學(xué)特性測試研究提出了一套行之有效的試驗測試方法。 (3)試驗證實了低滲透巖非達(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，按壓力梯度從高到低順序排序，提出以“三次平均法”進行擬啟動壓力梯度推算，并通過實例說明這種推算方法是可行的。 (4)試驗發(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，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呈負(fù)值(拉伸狀態(tài))變化，圍壓降低時呈壓縮狀態(tài)，并且在圍壓降低各個階段的軸向位移值均可恢復(fù)到最初時的軸向位移大小，而試樣

5、的滲透性卻低于最初時圍壓升高時的大小；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卻完全不同，圍壓升高裂隙閉合，圍壓降低時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)變化存在一個極限值：針對一般巖石(體)試樣，滲透系數(shù)變化最大值不會超過10-5cm/s量級：而對于低滲透性大理巖，最大值一般不超過10-7cm/s量級。 (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。針對孔隙性介質(zhì)而言，壓力梯度對巖石滲透性影響遠(yuǎn)大于圍壓條件的影響；而出水端水壓大小對巖石的滲透性影響不大，可根據(jù)現(xiàn)場實測水壓差，采用出水端水壓

7、力為零的方式進行滲透、力學(xué)試驗研究。 (7)提出了高滲壓下巖石(體)抗剪強度的計算方法：首先把高滲壓下實測得到的一組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)峰值強度時的平均孔隙水壓后，進行抗剪強度計算。 (8)根據(jù)常規(guī)飽水三軸壓縮實測的σ1、σ3值，提出了按實際工程高滲壓條件進行抗剪強度計算的方法，并通過試驗驗證，認(rèn)為從應(yīng)力角度進行抗剪強度換算可以反映高滲壓狀態(tài)下巖石(體)的強度特征。 (9)通過對試樣彈

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，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)基于試驗基礎(chǔ)上，模擬工程實際所處的應(yīng)力狀態(tài)進行相應(yīng)的試驗研究。 (10)在試驗和莫爾—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)的強度計算準(zhǔn)則：σ1+σ3=k(σ1-σ3)-b，