花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

王小江，张孟七，李 冲，荣 冠

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)

0 引 言

近年来，随着水利水电、核废料储藏、石油矿山开采等大型工程的建设，工程岩体所处的地质环境越来越复杂，地下水作为对岩体工程稳定性有着重要影响的因素，越来越受到研究人员的重视。岩体节理裂隙的渗透及变形模量都远大于岩石基质，岩体节理面与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定与安全。因此，深入了解岩体中节理面的渗流特性对解决实际工程中的岩体稳定性问题十分重要[1-2]。

众多学者在节理面的剪切-渗流耦合领域做了大量的试验及理论研究工作。N.Barton[1]和WF.Bawden[2]从理论上分析了节理面的剪胀变形及粗糙度对渗透性的影响规律；Makurat[3]采用自行改进的试验系统进行的剪切-渗流耦合试验研究结果表明，当节理面剪切位移达到1mm左右时，节理面的渗透性会增大数倍；T. Esaki[4]采用研制的剪切-渗流耦合试验仪进行的常法向荷载条件下花岗岩节理的剪切-渗流耦合试验研究发现，节理面水力传导系数的变化趋势与剪胀变形类似，在剪切位移的前5 mm阶段，节理面水力传导系数提高了1.2～1.6个数量级，相比剪切前试件的水力传导系数，剪切后试件水力传导系数增加了1个数量级；刘才华等[5- 6]采用自行研制的剪切-渗流耦合仪对充填砂裂隙等进行了一系列剪切-渗流耦合试验，分析了剪切荷载作用下裂隙渗透性变化规律并提出了考虑剪应力及法向应力耦合作用下的裂隙渗流公式；H.S.Lee和T.F.Cho等[7]采用自制的剪切盒配合使用MTS815试验机对大理岩和花岗岩节理进行了剪切-渗流耦合试验研究；R.Olssona，N.Barton[8]同样采用自制设备对花岗岩节理进行了相关剪切-渗流耦合试验研究，并提出了改进的剪切过程中节理面的水力耦合模型；蒋玉静[9]、李博[10]等采用自行研制开发的数控剪切-渗流耦合试验机，进行了一系列剪切-渗流耦合试验，实现了节理面剪切过程中常法向刚度边界条件的控制；夏才初[11]、王刚等[12]进行了岩石节理剪切-渗流耦合试验系统的研制，并进行了试验验证；KOYAMA T[16]等采用改进的剪切-渗流耦合试验仪进行了可视化试验。

因节理面剪切过程中剪切盒封水的技术难度较大，以上研究存在试验中施加渗透水压小，与真实的渗流情况存在偏差等问题。为此，本文采用JAW-1000试验系统，对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验，研究花岗岩节理在多次剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。

1 JAW-1000型试验系统介绍

1.1 主要功能

试验所用仪器为JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验机(见图1)。该仪器主要用于岩石节理在不同边界条件下常规剪切试验及剪切过程中的节理渗透性试验研究。试验系统主要采用常法向应力和常法向刚度控制2种边界条件，可进行2种边界条件下的节理常规(循环)剪切试验、节理在稳态和瞬态渗透水压下的渗流试验、循环法向应力-渗流耦合试验及循环剪切应力-渗流耦合试验。同时，还可进行岩石节理的剪切流变试验等。

图1 剪切-渗流耦合试验系统

1.2 各部分组成

试验系统整机主要由以下几部分组成：法向力、切向力加载系统，法向、切向蠕变控制系统，渗透水压加载系统，密封剪切盒及计算机系统组成。试验系统结构见图2。试验机的各项加载系统均采用闭环控制和伺服控制。

图2 试验系统结构

1.3 剪切盒的封水原理

剪切盒内部尺寸分别为200 mm(水渗透方向)×100 mm(渗透宽度)×100(高度)mm。考虑到剪切盒分上、下2个部分时，剪切过程中垂直于渗流方向的封水难度较大，故本套试验系统剪切盒为一整体结构。剪切盒底板、侧板及盒体均由钢板制成，内部由剪切体、密封圈和垫块组成。进水口上刀体中的进水孔用以向节理试件剪切面渗水，下刀体中的出水孔用以排出渗入节理试件剪切面中的水。剪切盒内部的封水系统主要采用进、出水口的橡胶垫块及剪切盒侧板的密封圈实现。进、出水口的橡胶垫块可以防止进、出水口的水向外渗漏，侧向密封圈是为了保持水不从垂直于剪切方向的侧面流出。因聚氨脂橡胶具有既软又硬、摩擦小等特点，垫块及密封圈材料都采用聚氨酯制成。侧板上的密封圈是中空的，试样装好后，空腔内注入一定压力的液压油。当节理试件发生剪切位移时，密封圈接触面在滑动状态下仍保持压缩密封。剪切盒剖面设计见图3。剪切盒内部构造见图4。

图3 剪切盒剖面设计

图4 剪切盒内部构造

2 剪切-渗流耦合试验

2.1 岩石节理试件制作

试验所用岩石节理面为花岗岩试样人工劈裂形成，花岗岩单轴抗压强度为165 MPa，孔隙率为0.4%。试样长200 mm，宽、高均为100 mm，共4个组，编号分别为HJ-1、HJ-2、HJ-3、HJ- 4，见图5。HJ-1节理面有2处较大凸起，HJ-2有1处凸起，凸起体相比HJ-1较小，HJ-3和HJ- 4表面没有明显大的凸起，只在局部有小的起伏。采用KEYENCE公司生产的岩石节理表面形状激光测试仪量测节理的表面形状。根据测定数据，4组花岗岩节理面JRC值分别为19(HJ-1)、14.5(HJ-2)、 7.5(HJ-3)、10(HJ- 4)。节理试件初始吻合较好，初始接触比几乎为1.0。

图5 花岗岩节理试件

2.2 试验步骤

试验开始前，首先对4组花岗岩节理面进行粗糙度的测量。测量结束后，将试件装入剪切盒进行试验。4组花岗岩节理面的加载条件见表1。在给定荷载条件下，剪切开始前，先施加侧向压力以保证封水，然后施加渗透水压力，测量渗透水流量，从而得到初始等效水力开度。剪切过程中，剪切位移进行10 mm，每剪切0.5 mm后暂停剪切，施加渗透水压进行渗透水流量测量，重复此过程直到试验结束。对每组花岗岩节理试件重复上述步骤3次。

表1 加载条件

3 剪切-渗流耦合试验结果

3.1 力学特性

图6 常法向荷载条件下HJ-1和HJ-2力学特性

图6为常法向荷载条件下花岗岩节理试件HJ-1和HJ-2的3次剪切过程中的力学特性变化曲线。从图6可知，在试件首次剪切过程中，剪切应力以近似线性的趋势迅速达到峰值(剪切位移一般不超过1 mm)，而后降低至残余强度。首次剪切试验中，花岗岩节理剪切应力峰值在2.8～5 MPa之间，残余强度为2.5 MPa左右。随着剪切次数的增加，试样峰值剪切应力与残余应力降低，剪切应力峰值变得不明显。在首次剪切试验中，花岗岩节理面剪胀开始于剪切应力峰值之前，并且以逐渐降低的增长速率随着剪切位移的增大持续增加至某一稳定值。随着剪切次数的增加，剪胀点延迟，剪胀变形减小，切向位移的增长速率逐渐趋于稳定，曲线逐渐趋于平缓。HJ-1比HJ-2的JRC值高，因此其剪应力峰值较高，相应的剪胀位移较大。这种差别在2组试件的首次剪切试验中比较明显。

图7 常法向刚度条件下HJ-3力学特性

图7、8分别为常法向刚度条件下花岗岩节理试件HJ-3和HJ- 4的3次剪切试验过程中的力学特性变化曲线。从图7、8可知，随着剪切位移的增大，法向荷载随之增大，曲线变化规律与法向位移变化相似。由于随着剪切位移的增大，法向荷载随之增大，HJ-3和HJ- 4试件在首次剪切过程中的凸起体磨损会更为严重，相比常法向荷载条件，常法向刚度条件下花岗岩节理的剪切应力及法向位移变化曲线在经历多次剪切试验后会更快的趋于稳定。

图8 常法向刚度条件下HJ- 4力学特性

图9 花岗岩试样剪切位移与水力开度关系

3.2 水力特性

剪切-渗流耦合试验中，根据测量得到的数据，采用立方准则反算花岗岩节理试件在剪切-渗流耦合试验过程中的等效水力开度，并以此评价花岗岩节理渗透特性在剪切过程中的变化规律[13]。即

式中，Q为水的渗流量；g为重力加速度；e为水力开度；v为水的动粘度系数；w为节理面宽度；i为量纲为1的单位水力梯度。

4组花岗岩试样剪切位移与水力开度关系见图9。从图9可知，初始阶段，随着剪切位移的增大，节理面发生剪胀，水力开度缓慢增加，进而迅速增大；第二阶段，随着剪切位移的增加，水力开度变化曲线变缓，达到残余水力开度值。初次剪切后，在同1组试件第2次试验中，由于初次剪切过程中凸起体的磨损，导致节理面的渗透特性显著提高，大约提高1个数量级，剪切位移与水力开度曲线变缓，残余水力开度会略有降低。试件第3次剪切相比第2次也会有上述变化，但变化值较小，说明节理面凸起体的磨损主要在首次剪切中发生。HJ-1水力开度峰值最大，这主要是由于其表面粗糙度的影响，HJ-1表面2处明显的凸起体对其水力开度值影响较大。

4 结 语

本文采用JAW-1000剪切-渗流耦合试验系统进行了常法向荷载和常法向刚度2种加载方式下的剪切-渗流耦合试验，得出以下结论：

(1)首次剪切中的剪切应力以近似线性的趋势迅速达到峰值，而后降低至残余强度。节理面剪胀开始于剪切应力峰值之前，并且以逐渐降低的增长速率随着剪切位移的增大持续增加至某一稳定值。随着剪切次数的增加，试样峰值剪切应力与残余应力降低，剪切应力峰值变得不明显。节理试样的剪胀点延迟，剪胀变形减小，切向位移的增长速率逐渐趋于稳定，曲线逐渐趋于平缓。

(2)在剪切初始阶段，由于节理面发生剪胀，水力开度先缓慢增加，进而迅速增大。第二阶段，随着剪切位移的增加，节理面的水力开度变化曲线变缓，达到残余水力开度值。初次剪切后，节理面的渗透特性显著提高，大约提高1个数量级，经过多次剪切后，节理面剪切位移与水力开度曲线变缓，残余水力开度会略有降低。

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