脆塑性非完全充填裂隙滲流特性研究

張哲元 陳 鑫 張森森

（鄭州大學力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001）

應力環境對巖體滲流場的影響顯著。巖石的脆、塑性性能體現出巨大的差異性[1]。陳金剛[2]等發現，非完全充填的情況下，充填裂隙的介質在應力到一定程度時會發生破壞，由縱向應變向橫向應變轉變。趙延林等[3]建立了巖體裂隙的滲流-斷裂耦合數學模型。王偉等[4]得出巖石滲透性的變化規律，各階段的滲透率隨有效圍壓的增大而減小，滲透率曲線形狀不變。

1 脆塑性材料滲流特性分析

由于充填介質的存在，充填裂隙的滲流特性和力學特性在其變形過程中不斷發生變化，采用動態特性分析能夠更準確地描述非完全充填裂隙滲流特性。由于充填介質的不同，采用物模試驗研究的方法，脆塑性材料結合，利用萬能材料試驗機，分析脆塑性非完全充填裂隙滲流特性，其表達式為：

式中：K為滲透率，n為充填介質的孔隙率，β為系數，a為裂隙寬度，l為裂隙長度。

當滲流速度較小，在巖樣兩端壓力差ΔP基本穩定時，充填裂隙滲透率可以用式（2）求得[5]：

式中：Q為流量，μ為泊松比，S為試樣橫截面積，ΔP為裂隙兩端壓力差。由式（1）、式（2）可得:

由材料力學知識，μ=εx/εy，εy=Δh0/h0，εy=σy/E其中：εx為橫向應變，εy為縱向應變，σx為橫向應力，σy為縱向應力，Δh0為高度改變量，h0為初始高度。并將其代入式（3）可得：

2 非完全充填裂隙滲流和變形試驗

2.1 試驗模型和設備

充填裂隙壁模型采用長方體，裂隙壁材料為水泥砂漿混合物，長×寬×厚=100 mm×50 mm×20 mm。制備砂巖、橡皮，作為材料充填物。充填裂隙壁如圖1，充填劑試樣如圖2。

圖1 水泥砂漿裂隙壁試樣

圖2 部分充填劑試樣

試驗儀器為萬能材料試驗機，該儀器最大施加載荷能達到200 kN，滿足試驗所需的各項功能。萬能材料試驗機如圖3。

圖3 萬能材料試驗機

試驗所需設備還包括水泵、水管、閥門、流量計等。

試驗過程中，首先要檢查儀器萬能試驗機是否能正常運行，并調節萬能試驗機初始化狀態和程序參數，之后將水泵、水管等設備進行組裝。為使試驗過程中水壓穩定，需在此實驗室的樓上放置一個水箱，放入1個水泵往水箱內抽水，保證試驗用水量低于水箱進水量。試驗流程圖如圖4。

圖4 試驗流程圖

2.2 試驗結果分析

試驗采用多種樣品，得到的試驗結果如下：

（1）脆性非完全充填裂隙滲流應力分析

脆性砂巖具有較好的力學性能，周祥[6]等研究了砂巖、泥巖等變形破壞過程中滲透率隨荷載變化規律，并對三軸滲流試驗進行探討，得出圍壓影響砂巖滲透的模型。通過本次試驗數據分析可以得出，砂巖滲流量最初水流的變化量不明顯，隨著位移的增大，水的流量開始緩慢減小，后由于破碎的砂巖介質持續向裂隙空隙中充填，造成水的流量減小率越來越大，最終表現為流量快速下降。當裂隙完全充填后，流量趨于最小值。砂巖充填裂隙滲流變形曲線如圖5。

圖5 砂巖充填裂隙滲流變形曲線

（2）彈塑性非完全充填裂隙滲流應力分析

橡皮屬于疏松介質，具有結構疏松、易產生塑性變形的特性。對該介質的非完全充填裂隙變形滲流曲線分析可得變化規律：在初始施加荷載時，橡皮產生的橫向應變大于縱向應變，導致裂隙橫截面積縮小，所以流量下降；當對裂隙壁施加的荷載達到橡皮屈服極限時，該填充介質會發生變形并破壞，產生橡皮碎末并充填裂隙空隙，導致流量快速下降；當橡皮介質的碎屑全部充填完畢時，流量達到最小值。橡皮充填裂隙滲流變形曲線如圖6。

圖6 橡皮充填裂隙滲流變形曲線

3 結論

對脆塑性非完全充填裂隙采用側向約束和軸向壓縮的試驗方式，得到試驗數據，并總結出下列結論：

（1）由于壓力的作用，充填介質破碎并充填到裂隙空隙中，隨著空隙被慢慢填滿，水的流量發生動態變化。

（2）隨著充填介質寬度的減小，流量趨于最小值的位移也在減小。

（3）脆塑性充填介質的材料性質不同，使充填裂隙的滲流特性存在差異性。對于脆性充填介質砂巖，非完全充填應力-流量曲線表現為由基本穩定到緩慢下降，后快速下降并趨于最小值。對于彈塑性充填介質橡皮，非完全充填應力-滲流曲線表現為先緩慢下降后快速下降并趨于最小值。

（4）充填介質為砂巖和橡皮的脆性和彈塑性的充填裂隙滲流特性也存在相似性，表現為其非完全充填應力-滲流曲線初始階段較為穩定，隨著位移的增大，流量減小率逐漸增大，流量快速減小并趨于最小值。