循环孔隙水压力对裂隙岩体的影响

汪冲+郭永成+唐乐+朱千凡

摘要：裂隙岩体的孔隙水压力对于库岸边坡岩体的强度和稳定性有着重要的影响。在许多边坡工程当中都会遇到循环孔隙水压力的问题，本文简单地介绍了裂隙岩体孔隙水压力的形成，同时采用三轴流变仪对砂岩进行常规三轴压缩试验和循环孔隙水压作用试验。将两个试验进行对比发现在经过水压循环作用后，砂岩在不同围压下的抗压强度均出现了不同程度的下降，说明循环孔隙水压对裂隙砂岩的强度造成了影响。同时，不同的围压砂岩强度的下降幅度不同，围压越大，抗压强度下降的幅度越小，这说明围压的大小能对循环水压作用下的裂隙岩体稳定产生影响。

关键词：裂隙岩体；孔隙水压；循环；岩体强度

中图分类号：TU452 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）30-0159-03

0引言

库岸边坡长期以来的水位变化形成了一种循环的孔隙水压力，这种循环的孔隙水压力不断地作用于边坡岩体，破坏了边坡岩石内部结构，严重影响了边坡及地基的稳定性，因此引起了人们对孔隙水压力作用下的边坡稳定性问题的高度重视。循环孔隙水压力对边坡岩体稳定性的影Ⅱ向主要通过循环地对岩体裂隙施加水压力，破坏岩体的力学性能。目前国内有不少学者对水压循环进行过研究，许江等利用岩石力学实验系统对砂岩进行三轴等围压情况下的循环孔隙水压力实验研究，对孔隙水压力作用机理进行了分析，得出循环孔隙水压力2个阶段的作用机制。许江、王鸿（2006）等对不同加载速率、不同水饱和度、不同载荷水平时循环荷载作用下细砂岩的变形特性进行了实验研究。黄仕超等对循环孔隙水压力下的混凝土力学特性进行过研究，得出了循环孔隙水压次数与混凝土峰值应力变化的关系。张民生等对循环水压作用下粉土渗流进行了研究，模拟了粉土在循环水压下的渗流过程，对粉土在循环水压下的渗流做出了分析。

由于边坡岩体自身结构和所赋存环境的复杂性，边坡岩体的稳定一直是一个难点问题，而循环孔隙水压力是影响岩体稳定重要因素之一。因此，本文拟就循环孔隙水压对岩体力学性质的影响展开分析研究。

1孔隙水压力的基本概念

随着库水位周期性的涨落，地下水对边坡岩体施加孔隙水压力作用，当水位突然上升时，边坡下部表面首先被淹没，但是表面被淹没的岩体内部裂隙此时并未充满水，这样岩体内外就形成了一个压力差，直到所有裂隙被充满水，岩体内部与外部水位线一致时，这个压力差消失。当库水位突然下降时，边坡表面的水位首先下降，但是岩体内部的水位，会相对的滞后，在这个过程中岩体内部水位要高于外部水位，这样在岩体中就形成一个孔隙水压力。同时，对于岩体而言，完整岩块的渗透率是极低的，但是裂隙岩石的渗流往往非常明显，不同的裂缝宽度会产生不同的渗透率，而不同渗透率差异在岩体内部也会形成了孔隙水压力。在工程建设中，经常会遇到孔隙水压力作用于裂隙岩体的问题，当孔隙水压力作用于裂隙处时，岩体的强度就会降低，这将导致边坡岩体的稳定性降低，容易引发库岸边坡灾害。

2孔隙水压力影响裂隙岩体的形式

裂隙岩体赋存在复杂的地质环境当中，其中孔隙水就是影响岩体力学性能的主要因素之一，孔隙水与岩体之间相互作用、相互影响，改变着岩体的物理，化学和力学性质。而同时岩体性质的改变也影响着孔隙水的物理、化学性质和化学组分。

长期以来，人们通过大量的工程实践了解到孔隙水压力对岩体强度的影响主要为岩体中的孔隙水对岩体的物理化学作用和力学作用。就物理化学作用来说，岩体的孔隙水主要通过润滑、溶解、侵蚀、冻融等多种水岩作用，使岩体的矿物颗粒间的粘结力减弱、摩擦力降低，最终导致岩体发生膨胀、崩解、易溶岩溶解和裂隙面上的填充物发生变形和位移，改变岩体的物质成分和结构强度。同时，由于渗透的作用，水分子与岩体中的矿物颗粒直接接触发生多种化学反应，孔隙水与岩体直接进行离子交换、水解反应，扩大岩体的裂隙，使岩体发生膨胀和断裂，从而使岩体的强度降低。大自然中的岩体内部都存在着大量的裂纹，这些裂纹的存在，大大降低了岩体的抗压、抗拉、抗剪强度及弹性模量。岩体中的孔隙水主要通过孔隙水压力对岩体内部裂隙的力学性质进行影响。在孔隙水压力的作用下，孔隙水在岩体的裂隙中运动对岩体施加了切向的体积力，使岩体中的颗粒物质产生运动，进而破坏岩体结构、降低巖体强度。

孙光永等曾提出过孔隙水对岩体的裂隙壁施加两种力，垂直的静水压力和平行的动水压力。并通过材料力学知识、运用摩尔库伦准则计算出当岩体浸入水中时，由于孔隙水压力的作用，岩体的抗剪强度降低值为：

而梁尧词等通过试验得出流动的孔隙水压力会使岩体的裂隙宽度增加，裂隙壁受到流动的孔隙水压力的作用，使岩体颗粒之间相互挤压，从而导致岩体的宽度变大，对岩体的强度产生影响。

3循环孔隙水压与裂隙岩体变形

岩石是一种由多种矿物成分组成的多孔隙复杂材料，其内部存在着大量微观缺陷，例如微孔隙、微裂隙等。在工程地质环境中，岩石的变形特性和破坏特征不仅与其本身的性质相关，还与所处地质环境密不可分。大量水利工程大都建立在水资源丰富的地带，经常承受水的冲刷，这会引起边坡岩体结构应力的变化，不利于工程的稳定性。解决这类问题的核心就是必须对循环孔隙水压力与裂隙岩体变形的关系十分了解。在实际的边坡工程当中，库区边坡岩体是直接与水进行接触的，因此岩体经常会遇到循环孔隙水压力的作用，由于对缺少足够的认识和研究，因此也造成过许多严重的工程事故。从目前国内外研究情况来看，大多数学者的试验研究主要集中在应力-渗流耦合方面，对水压循环作用下岩石力学特性的研究相对较少。因此利用三轴流变仪进行水压循环作用下岩石力学特性的研究具有重要意义。

试验岩石取自三峡库区库岸边坡岩石，均一程度较高，然后利用实验室配备的钻孔取芯机和切割机将其制成高度100mm×直径50mm的圆柱体。

进行常规三轴压缩试验以得到试样的抗压强度。endprint

常规三轴试验中，以0.1MPa/s的速率对岩样施加不同围压，然后再以0.005mm/s速率施加轴压至岩样破坏，得到不同围压条件下的岩石的抗压强度（如表1所示）。

循环孔隙水压作用试验。

三峽库区水位常年发生变化，一般最高水位为175m，最低为145m，为了接近工程实际情况，因此设计试验水压为0.3MPa。试验仪器采用三轴流变仪（如图1所示），以0.1MPa/s的速率对试样施加与常规三轴试验相同的围压（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa），待围压施加完且稳定后对砂岩试样以0.01MPa/min的速率施加0.3MPa的水压，以模拟水头为30m的消落带水位的稳定上升阶段，待水压达到0.3MPa后，稳定30min，以模拟库水位正常蓄水的相对稳定阶段，再以0.01MPa/min的速率将水压由0.3MPa降为0，以模拟库水位降低的阶段，然后重复上述过程4次，稳定30min，以0.005mm/s的速率加载轴向荷载至试件破坏。

砂岩试样经过水压循环作用后的抗压强度如表2所示，抗压强度劣化程度如表3所示，试样的抗压强度曲线图如图2所示。

从表1、表2及图2可以看出砂岩试样的抗压强度在有无水压循环作用时完全不同，在没有水压循环作用时，砂岩在围压为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa时的抗压强度分别为145.3MPa、163.8MPa、202.7MPa、237.5MPa。在水压循环作用后各围压下的抗压强度分别为99.4MPa、117.6MPa、155.3MPa、190.7MPa。在经过水压循环作用后，砂岩在不同围压下的抗压强度均出现了不同程度的下降，说明循环孔隙水压对裂隙砂岩内部造成了损伤，影响了抗压强度。

从表3可以看出在水压循环过程中，砂岩试样的抗压强度与试验围压有关，在围压为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa时，劣化度分别为31.6%、28.2%、23.4%、19.7%，可以看出试验所加的围压越大，砂岩的劣化程度就越低，说明水压循环作用对裂隙砂岩内部的损伤情况与围压有明显的关系，所加围压越低砂岩损伤的越明显。

4结论与展望

本文对裂隙砂岩进行了常规三轴压缩试验和循环孔隙水压试验，通过两个试验进行对比可以得出，裂隙砂岩试样在循环孔隙水压力作用后，砂岩在不同围压条件下的抗压强度均出现了下降，说明循环孔隙水压对裂隙砂岩内部造成了损伤了，影响了砂岩的强度。同时，在不同围压条件下，砂岩抗压强度的下降幅度呈现不同的情况，围压越大，抗压强度下降的幅度越低，这说明围压越大越能维持裂隙岩体内部的稳定。

国内外学者对边坡岩体的特性做了大量的研究，也取得了很多有价值的理论研究成果和工程经验，但是关于水压循环对岩体的影响方面的研究程度还不够研究成果也较少。另外，本文只研究了循环水压对岩体力学性能的影响，而水压循环的次数对岩体性能的影响没有进行研究。因此随着研究的不断深入，水压循环对边坡岩体的影响将具有重大的理论意义和工程实用价值。同时由于库岸边坡岩体自身结构和所赋存环境的复杂性，导致有关边坡岩体特性的研究还不够全面，但是库岸边坡问题是目前很多工程中的重点问题，边坡岩体的稳定直接关系到工程的安全，所以应该引起足够的重视。endprint