伊犁一礦礫石土三軸滲透試驗研究

岳中文，楊仁樹,2，孫中輝，竇波洋，韓朋飛

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083)

1 概 述

新疆伊犁地區地下煤炭資源儲量豐富，在該地區的大部分地方，第四系表土層中埋藏著一層巨厚礫石層，其中往往含有地下水。在含水復雜多變的礫石層中進行巷道施工，隨時面臨塌方冒頂、涌水、突水、涌砂和涌泥等一系列問題。因此，要解決富水礫石層井筒支護問題，就必須先了解礫石土的物理力學特性。特別是其滲透性能的影響因素，有必要進行深入的探討和研究。從國內外的研究狀況來看，土中水的研究歷史非常悠久，早在1856年法國工程師達西(Darcy)就提出了線性滲流的達西定律[1]。周中等[2]通過自制的常水頭滲透儀，測定了不同含礫量時土石混合體滲透系數值。朱崇輝等[3]通過對無黏性粗粒土的顆粒級配，進行控制性滲透試驗研究。滲透試驗也由飽和土發展到非飽和土，由常規滲透試驗進展到三軸滲透試驗。但是，三軸滲透性研究仍處在初期階段，試驗技術還很不成熟[4]。能夠反映土體三軸滲透研究成果的文獻寥寥無幾，僅查到朱建華采用應力控制式三軸滲透試驗儀研究了土壩心墻的滲透性和滲透各向異性隨其所受的應力條件而變化的關系。李永樂等[5-7]利用特制的非飽和土三軸儀，對黃河大堤非飽和土的滲透特性進行了試驗研究。如何利用三軸滲透試驗對礫石土的滲透規律進行更加系統的研究，以確定更符合實際的礫石土體滲透性參數，便顯得尤為重要。

本文利用多功能靜動三軸試驗機進行滲透試驗，研究了伊犁一礦礫石土的滲透特性。通過對伊犁一礦礫石土樣進行三軸滲透試驗研究，可以有效克服進行常規滲透試驗時的先天不足，從而減小誤差，為伊犁一礦井筒滲流穩定分析提供更加合理的計算參數。

2 試驗描述

2.1 試驗儀器

試驗采用清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室多功能靜動三軸試驗機，如圖1所示。圖2表示供水裝置，主要有水箱、氮氣瓶和壓力表組成。

圖2 供水裝置

該試驗機不但能進行土石、軟巖與混凝土材料試驗，具有軸向與圍壓獨立靜動載荷的能力，而且還具有單獨滲流以及滲流與應力耦合的各種材料試驗功能。加載模式可采用位置控制、應力控制、應變控制及試驗過程中的相互轉換，可實現計算機全過程控制與數據采集，以及可視化數據處理等。

2.2 試驗材料

三軸滲透試驗選用不同深度土樣三組，試樣基本的物理指標見表1。顆粒級配曲線見圖3。

表1 試樣的物理指標

圖3 試驗材料顆粒級配曲線

2.3 制樣與裝樣

三軸滲透試驗，采用含水率為4%的試樣，采用鋼制套膜制成垂直樣，分四層壓實制成。試樣尺寸：直徑為φ300mm，試樣高度為700mm。

2.4 三軸試驗原理和加載方案

三軸滲透試驗，是通過恒定的周圍壓力、軸向壓力施加至土樣，待土樣固結完成后，以恒定的流速或恒定的水頭對土樣進行滲透試驗，測量土樣在各種條件下的滲透系數。滲透試驗分兩種試驗類型：恒流量試驗和恒水頭試驗。本試驗采用恒水頭試驗。每組圍壓及水頭壓力加載方案見表2。

表2 每組圍壓及水頭壓力加載方案

2.5 試驗步驟

(1)按照三軸試驗步驟將試樣裝好。

(2)施加預定的圍壓，進行固結排水。

(3)固結完成后，保持圍壓，用水頭壓力系統在試樣底部施加第一級壓力水頭，使水從下向上滲透，流量排到體變管中，試樣飽和。

(4)經過時間間隔后，記錄體變管變化讀數，得到在本級壓力水頭下t時間里的流量Q。記錄兩次。

(5)調節水頭壓力系統施加第二級壓力水頭，重復試驗步驟，記錄數據。

2.6 計算方法

按每級圍壓下固結完成后的式樣高度H和體積變化量Δq，計算每級圍壓下固結完成后的試樣面積A:

(1)

進行滲透實驗，根據Δt時間間隔內的總流量ΔQ，計算單位時間流量q：

(2)

按試樣高度H及壓力差ΔP=P1，計算平均水力坡降i：

(3)

將滲流量q、水力坡降i及試樣面積A代入下式(4)，計算出在圍壓σ3作用下的滲流系數k：

(4)

3 試驗結果及分析

3.1 初始孔隙比e0對滲透系數的影響

圖4表示不同圍壓條件下的e0-k關系曲線。從圖4可見，滲透系數k隨著初始孔隙比e0的增大而增大。基本上以圍巖σ3=500kPa為界限，大于該圍壓時，隨著孔隙率的增加，滲透系數增加的幅度越來越小；而小于該圍壓時，滲透系數增加的幅度越來越大，可見圍壓對礫石土的滲透性影響很大。

圖4 不同圍壓條件下的e0-k關系圖

3.2 不同水頭壓力對滲透系數的影響

圖5、圖6和圖7分別表示試樣在初始孔隙比e0=0.224、e0=0.313和e0=0.185時，在不同的圍壓條件下，滲透系數隨著水頭壓力變化的關系曲線。由三個圖總的變化趨勢可以看到，滲透系數是隨著水頭壓力的增大而增大的。同時可以看到，滲透系數和水頭壓力具有線性的關系。還可以看到，在相同的水頭壓力下，滲透系數是隨著圍壓的增大而減小的。

圖5 e0=0.224時滲透系數-水頭壓力變化關系

圖6 e0=0.313時滲透系數-水頭壓力變化關系

圖7 e0=0.185時滲透系數-水頭壓力變化關系

3.3 圍壓σ3對滲透系數的影響

圖8表示不同初始孔隙比e0條件下的σ3-k關系曲線。從圖8可見，滲透系數k隨著圍壓σ3的增大而減小。同時可以看到，隨著初始孔隙比e0的減小，滲透系數也在減小。這是因為隨著圍壓σ3的增大，一方面土樣固結，有效應力增加(σ′=σ3-P,P為滲水壓力)，孔隙比減小，即對骨架的影響較大；另一方面，也增大了水壓力，即對滲透水流也會產生一定的影響。

圖8 不同初始孔隙比e0條件下的σ3-k關系圖

4 結 論

本次研究利用多功能靜動三軸試驗機室內試驗方法，進行不同級配、初始孔隙比和水頭壓力的礫石土滲透試驗研究。研究結論為：①滲透系數k隨著初始孔隙比e0的增大而增大；②滲透系數k是隨著水頭壓力的增大而增大的。滲透系數和水頭壓力具有線性的關系；③在相同的水頭壓力下，滲透系數k是隨著圍壓的增大而減小的。

[1] 屈智炯. 對粗粒土滲透變形研究的進展[J]. 水電站設計, 2008, 24(1): 48-55.

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[3] 朱崇輝, 劉俊民, 王增紅. 無黏性粗粒土的滲透試驗研究[J]. 人民長江, 2005, 36(11): 53-55.

[4] 劉萌成，劉漢龍，陳遠洪，等. 堆石料變形與強度特性的大型三軸試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2003，22(7)：1104-1110.

[5] 李永樂，張紅芬，佘小光，等. 原狀非飽和黃土的三軸試驗研究[J]. 巖土力學, 2008, 29(10): 2859-2863.

[6] 李永樂，劉漢東，劉海寧，等. 黃河大堤非飽和土土水特性試驗研究[J]. 巖土力學，2005，26(3)：347-350.

[7] 李永樂，崔翔宇，張紅芬，等. 黃河大堤非飽和土的三軸試驗研究[J].巖土力學，2006，27(2)：656-660.