高壓滲流作用下砂巖剪切力學特性研究

胡 斌 丁 靜 李 京 崔 凱 馬利遙 湯 琦

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430081)

在地應力作用下,高陡邊坡巖體往往會發生壓剪破壞[1-2]。如在礦山、公路、鐵路和壩體的高陡邊坡中,由于重力作用,邊坡巖體受到一個指向臨空面的剪力作用。在該剪力作用下,巖體內部易產生節理,發生剪切破壞;特別是在地下水活動頻繁的環境下,水—巖相互作用會加劇巖體內部節理裂隙發育,降低巖體抗剪強度[3-4],加劇邊坡失穩。邊坡經受長時間連續強降雨作用時,雨水沿坡體內節理裂隙入滲,邊坡內部巖體將迅速達到飽水狀態并受到由雨水入滲形成的高滲透水壓力作用。因此,探究巖體在高壓滲流作用下的剪切力學特性對于邊坡穩定性研究具有重要意義。

目前,眾多國內外學者已經開展了大量巖體剪切—滲流耦合試驗研究。許江等[5-7]利用自主研發設備開展了0.3 MPa 水壓下含結構面的巖體剪切—滲流試驗研究,發現結構面巖體峰值剪應力、滲流量和法向位移隨著充填度增加而逐漸減小。劉才華等[8]通過試驗探究了含裂隙巖體在剪切荷載作用下的滲流特性,認為在剪切荷載作用下,裂隙在剪動前滲透性隨著剪切應力增加而減小,呈現明顯的線性關系。何峰等[9]利用自制的試驗裝置分析了煤巖在滲流作用下的蠕變特性,發現在軸壓與圍壓不變時,滲透水壓煤巖的滲流量與蠕變量呈正相關關系。范鶴等[10]開展了大理巖剪切滲流試驗,研究了大理巖剪切裂隙滲流規律,發現在徑向滲流中,其滲流過程符合達西定律,在法向應力增加過程中,滲流通道內出現了閉合現象,裂隙中形成大面積死水區,滲流特性發生突變。尹立明等[11]開展了恒定法向荷載與恒定法向剛度兩種條件下的壓剪滲流試驗,發現隨著滲透水壓力增大節理巖體透過率和法向變形在增大,而抗剪強度在減小。趙瑜等[12]分析了在壓剪作用下巖體裂隙對巖體滲流特性的影響,提出了一種基于殘余強度的全新剪切本構關系。李海波等[13]對含節理面巖體進行了大量剪切試驗,發現隨著剪切速率提高,巖石節理面的抗剪強度在減小。彭守建等[14]利用自主研發的試驗設備,開展了不同法向荷載作用下砂巖的剪切—滲流試驗,試驗發現:隨著法向荷載增大,砂巖法向變形和剪切變形在減小,而抗剪強度在提高。夏才初[15-17]利用自主研發的試驗系統對3 種不同節理粗糙度的試樣開展了不同剛度和滲透水壓力條件下的剪切—滲流試驗,發現節理抗剪強度隨著法向剛度增加而增加,隨著滲透水壓的增大而減小。BRUNO等[18]通過理論分析和剪切試驗,研究了孔隙壓力對拉伸裂縫萌生和擴展方向的影響,發現裂縫的形成不僅受到裂紋尖端局部孔隙壓力影響,還受到整體尺度上孔隙壓力梯度的方向和分布影響。LIU 等[19]通過開展高孔隙水壓力條件下的裂隙巖體壓剪試驗,建立了描述翼型裂紋初始開裂規律和裂紋尖端應力強度因子演化規律模型。ESAKI 等[20]對含節理的花崗巖進行了剪切滲流耦合試驗,發現隨著剪切位移增加裂隙滲透性初期增加較快,而后趨于一穩定值。

綜上所述,目前的研究主要集中在低滲透壓對裂隙巖體剪切力學特性的影響,且試驗前試樣未進行飽水處理,這與實際情況中邊坡巖體在飽水時仍受到高滲透水壓作用存在差異。基于此,本研究利用自主研發的巖石剪切—滲流耦合試驗裝置,開展高壓滲流作用下飽水砂巖剪切力學特性試驗研究,分析滲透水壓對砂巖抗剪強度、剪斷面破壞程度的影響規律,以及剪切過程中法向應力與法向變形變化規律,為連續強降雨作用下的高陡邊坡穩定性分析提供理論依據和試驗基礎,同時為類似研究提供參考。

1 試驗方法

1.1 試樣制作

選用某礦山高陡邊坡砂巖為本次試驗材料,試樣基本物理力學參數取值見表1。將所取的砂巖加工為試驗所需的標準長方體試樣,尺寸為150 mm×75 mm×75 mm(長×寬×高),并對試樣6 個端面進行打磨,保證試樣端面的平行度在0.02 mm 以內,以降低試驗誤差。再使用鉆機在試樣表面平行于剪切方向的中心線上鉆出3 個等孔距的滲流孔,孔距為37.5 mm。為保證水壓能夠作用在預定剪切面上,滲流孔深度為37.5 mm,孔徑為8 mm,如圖1所示。

圖1 試樣結構Fig.1 Sample structure

試驗施加滲透水壓前,試樣需進行飽水處理,試樣飽水采用真空抽氣飽和法,按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-99),將試樣放入如圖2所示的真空飽和裝置中,水面高出試樣表面,真空壓力為-0.1 MPa。在抽氣24 h 后,無氣泡溢出時,打開真空飽和裝置,使試樣在大氣壓下靜置4 h,再將試樣安裝于剪切盒中進行試驗。

圖2 真空飽和裝置Fig.2 Vacuum saturation device

1.2 試驗裝置

1.2.1 試驗裝置參數

本研究試驗是在自主研制的可實現高壓滲流的巖石剪切—滲流耦合試驗裝置上完成。該裝置主要由滲流系統、壓剪系統和數據監測與采集系統三部分組成,如圖3所示。該裝置法向/切向方向上均設有伺服電動缸,用于施加法向/切向試驗力,在伺服電動缸內設有壓力傳感器與位移傳感器,用于測量法向/切向方向的試驗力和位移。為減小設置于伺服電動缸內位移傳感器的監測誤差,在剪切盒切向與法向上分別加裝有2 個LVDT 位移傳感器,取法向3 個位移計平均值作為試樣法向位移量,取切向3 個位移計平均值作為試樣剪切位移量,試驗數據通過數據監測與采集子系統傳遞至計算機進行顯示并保存。試驗過程中,法向荷載由法向伺服電動缸施加在剪切盒法向加載壓頭上,再通過法向加載壓頭傳遞到試樣表面,剪切荷載則通過左側伺服電動缸直接施加在下剪切盒左端面,上剪切盒因受到右側反力桿的作用而保持靜止,如圖4所示。

圖3 巖石剪切—滲流耦合試驗裝置Fig.3 Rock shear-seepage coupling test device

圖4 壓剪試驗系統Fig.4 Pressure shear test system

該裝置試驗力控制范圍為0～100kN,試驗力監測分辨率為0.01 kN;法向/切向壓頭伸縮范圍為0～100 mm;可實現試驗力和位移兩種加載方式,試驗力控制加載速率為0.01～35.00 kN/s,位移控制加載速率為0.001～10.000 mm/min;位移傳感器量程為0～30 mm,位移傳感器監測分辨率為0.001 mm;滲流系統滲透水壓力加壓范圍為0～5.00 MPa。

1.2.2 剪切盒密封

為保證上剪切盒與下剪切盒接觸面具有良好的密封性,上下剪切盒通過4 根豎向輥軸和2 塊移動滑板連接,在上剪切盒設有供輥軸沿剪切方向運動的通孔,能保證上下剪切盒在豎向上連接,同時又能保證上下剪切盒可沿剪切方向錯位,且在上下剪切盒接觸面設有矩形密封圈進行密封;滲透水壓由滲流加壓裝置經法向加載壓頭內部入水通道接入試樣滲流內,如圖5所示。

圖5 剪切盒結構Fig.5 Structure of shear box

為保證試樣滲流孔與法向加載壓頭內部進水通道連接處的密封性,使水只沿著由剪切作用產生的裂隙流出,本次試驗設計了一種可膨脹硅膠接頭,在硅膠接頭上端部設有密封圈(圖6),在硅膠接頭下端部外壁均勻涂有防水膠,通過擠壓桿擠壓硅膠接頭內壁,使其膨脹,充分與滲流孔內壁接觸,封堵接觸空隙,待防水膠凝固后取出擠壓桿;在施加滲透水壓后,硅膠接頭內壁受到水壓力擠壓后(受力如圖6 中右側放大圖所示),再次產生膨脹,使其密封性增強。需要說明的是,硅膠接頭因固定在試樣上,所以在整個試驗過程中硅膠接頭不會因為水壓擠壓作用對傳遞法向荷載的法向加載壓頭產生反作用力。

圖6 硅膠接頭與試樣裝配示意Fig.6 Schematic diagram of silica gel joint and sample assembly

1.3 試驗方案及步驟

本研究開展的不同滲透水壓條件下的飽水砂巖壓剪力學特性試驗共分為4 組,其中干燥試樣1 組,不施加滲透水壓,飽水狀態3 組,分別施加0、1、2 MPa 滲透水壓,每組試樣不少于3 個,剪切荷載控制方式采用位移加載,加載速率為0.4 mm/min。試驗步驟為:

(1)試驗前準備。啟動試驗裝置,調整試驗設備及控制軟件,檢查位移傳感器、流量傳感器、水壓計是否工作正常。

(2)安裝試樣。提升上剪切盒,將試樣放入剪切盒腔體內,密封上下剪切盒后,將剪切盒推至法向加載壓頭正下方,安裝位移傳感器;完成后控制剪切加載裝置與反力桿,對上剪切盒進行切向限位。

(3)進行試驗。施加預定法向荷載,法向荷載大小以不擠壓出飽水試樣內部孔隙水為宜,本次試驗施加的法向荷載均為0.2 MPa;法向荷載施加完畢后,操控滲流系統,向試樣滲流孔內施加預定滲透水壓力,為使滲透水在試樣內部的滲流狀態與連續強降雨作用下的礦山高陡邊坡巖體內部滲流狀態相同,需滲透水壓加載5 h 后,再進行剪切試驗,剪切試驗過中滲透水壓繼續加載,直至試驗結束。

(4)結束試驗。試樣剪斷后停止試驗,關閉滲流系統,拆除剪切盒和試樣,關閉試驗裝置,保存數據,并對數據進行處理。

2 試驗結果分析

2.1 剪應力—剪切變形特性

恒定法向應力、不同滲透水壓條件下,砂巖試樣的剪應力—剪切變形曲線如圖7所示。由圖7 可知:不同滲透水壓條件下,砂巖試樣的剪切變形具有相同規律;以滲透水壓1 MPa 為例,不同滲透水壓條件下的砂巖試樣的剪應力—剪切變形曲線可分為3 個階段,即孔隙、裂隙壓密階段(AB段)、彈性變形階段(BC段)、屈服破壞階段(CD段)。

圖7 試樣剪應力—剪切變形曲線Fig.7 Shear stress-shear deformation curves of samples

(1)孔隙、裂隙壓密階段(AB段)。在該階段內,砂巖試樣內部原生孔隙和微裂隙在剪應力作用下產生閉合,試樣被壓實,剪應力—剪切變形曲線呈上凹形。

(2)彈性變形階段(BC段)。在該階段內,剪應力隨剪切變形增加而呈線性增加,剪應力—剪切變形曲線呈直線,砂巖試樣的力學性質為彈性。

(3)屈服破壞階段(CD段)。在該階段內,剪應力達到砂巖試樣的屈服強度(C點)時,剪應力產生應力降,此時砂巖試樣內部結構已經產生破壞,試樣內部裂紋發育速率開始加快,試樣力學性質由彈性轉變為塑性;隨著剪切變形增加,剪應力—剪切變形曲線呈不規則變化,當剪切變形達到最大值時,試樣內部裂紋貫通至整個剪切面,試樣被剪斷,失去抗剪能力,剪應力產生驟減。

不同滲透水壓作用下,砂巖試樣的抗剪強度和峰值剪切變形見表2。由表2 可知:在恒定法向應力作用條件下,飽水砂巖的抗剪強度和峰值剪切變形均隨著滲透水壓增大而逐漸減小;表明滲透水壓對砂巖抗剪強度及其剪切變形具有劣化作用,且滲透水壓越大,劣化效果越明顯。原因為:① 作用在砂巖內部的滲透水壓抵消了一部分法向應力,從而導致作用在砂巖上的有效法向應力減小;② 砂巖試樣在剪應力作用下其內部產生裂紋,裂紋導水,形成滲流路徑,高滲透水壓力在已形成的裂紋中為裂紋擴展提供張力,加劇了裂紋發展速率,因此,滲透水壓越大,砂巖抗剪強度及其峰值剪切變形越小。在無滲透水壓條件下,飽水砂巖抗剪強度低于天然狀態砂巖抗剪強度,說明水的存在也對砂巖抗剪強度具有劣化作用。

表2 不同滲透水壓作用下砂巖的抗剪強度和峰值剪切變形Table 2 Shear strength and peak shear deformation of sandstone samples under different seepage pressures

2.2 法向變形與法向應力變化特性

因剪切盒空腔內僅能放入試樣,試樣四周與底部的變形均被剪切盒所限制,只能在法向產生位移,所以本研究通過試樣的法向變形來分析試樣的剪脹和剪縮現象。不同滲透水壓條件下,砂巖法向變形—剪切變形曲線如圖8(a)所示。從圖中可得出:在恒定法向應力作用條件下,飽水砂巖的峰值法向變形隨滲透水壓力增大而逐漸減小,但其法向變形均呈現出很好的規律性,如圖8(b)至圖8(d)所示。在孔隙、裂隙壓密階段(AB段)與彈性變形階段(BC段),不同滲透水壓力條件下,砂巖法向變形均在增加,試樣表現出明顯的剪脹現象;當試樣進入屈服破壞階段(CD段)后,法向變形速率加快,并出現法向變形“回彈”現象,這是由于剪切過程裂紋貫通形成的凸起被剪斷所致。在屈服破壞階段法向變形與變形速率的突變在時間點上與法向應力和剪應力的突變相對應,限于篇幅以及考慮到不同滲透水壓作用下法向變形與法向應力隨剪切變形變化規律相同,本研究以滲透水壓1 MPa 為例,分析砂巖屈服階段法向變形與法向應力隨剪切變形的變化規律。

圖8 不同滲透水壓力條件下法向變形和剪應力隨剪切變形的變化曲線Fig.8 Variation curves of normal deformation and shear stress with shear deformation under different seepage water pressure

1 MPa 滲透水壓作用下的砂巖剪應力、法向變形與法向應力隨剪切變形的變化曲線如圖9所示。由圖9(a)可知:在試樣剪切過程中出現了3 次剪應力降,對應的剪切變形分別為1.31、1.37、1.52 mm;當產生第1 次應力降時,法向應力突然增大、同時法向變形量和變形速率也增大,如圖9(b)所示,這是由于試樣進入屈服破壞階段后,剪切面產生的裂紋開始逐漸貫通,導致試樣剪脹速率加快;當產生第2 次剪應力降時,法向應力突減,同時法向變形量和變形速率減小,這是因為剪切面裂紋大量貫通,剪切面上產生的凸起被剪斷,法向變形出現“回彈”現象;當出現第3 次剪應力降時,法向應力、法向變形發生大幅度突減,這是因為剪切面裂紋完全貫通,試樣被剪斷。

圖9 屈服階段剪應力、法向變形與法向應力隨剪切變形的變化曲線Fig.9 Variation curves of shear stress,normal deformation and normal stress with shear deformation at yield stage

綜上分析可知:滲透水壓直接影響著砂巖法向變形,滲透水壓越大,法向變形越小;在砂巖屈服破壞階段,砂巖法向變形與法向應力變化在時間點上存在對應關系,法向應力突增,法向變形增大,法向變形速率加快;法向應力突減,法向變形減小,法向變形速率減慢,且法向應力突變幅度越大,法向變形變化幅度也越大,兩者變化規律反映了砂巖在剪切過程中裂紋的擴展情況。

2.3 恒定法向應力作用下滲透水壓對砂巖剪斷面破壞程度的影響

砂巖試樣在不同滲透水壓力下的裂紋、剪切面形態如圖10所示,圖中紅色箭頭方向代表著剪切方向。由圖10 可知:砂巖剪斷面在預定剪切面上,但具有一定的起伏度,是因為取自礦山邊坡的完整砂巖并非理論上的完全均質體,其內部結構存在差異,裂紋在擴展時,優先選擇結構較弱的區域。

圖10 不同滲透水壓下砂巖裂紋、剪切面形態Fig.10 Morphology of sandstone cracks and shear surfaces under different seepage pressures

當無滲透水壓作用時,飽水與干燥狀態下的砂巖剪斷面起伏度大,剪斷面上存在部分砂巖脫落顆粒,并且除了產生沿剪切面擴展貫通的主裂紋外,還產生了多條與剪切面成一定夾角的次級裂紋。經統計發現,次級裂紋多沿滲流孔排列位置對稱出現。當滲透水壓為1 MPa 時,剪斷面雖然存在部分凸起,但其余位置起伏度相對于無滲透水壓力時減小,產生一條較短的次級裂紋,剪斷面附著少量因摩擦而產生砂巖粉末。當滲透水壓為2 MPa 時,剪斷面主裂紋幾乎呈直線,無次級裂紋產生,剪斷面起伏度最小,剪斷面附著較多因摩擦而產生的砂巖粉末。

2 MPa 滲透水壓條件下,干燥砂巖試樣表面浸潤狀態如圖11所示。由圖11 可知:在2 MPa 滲透水壓加載初期,試樣表面干燥,2 MPa 滲透水壓加載1 h后試樣表面中部出現小部分浸潤區域,2 MPa 滲透水壓加載2 h 后,試樣表面中部70%區域被浸潤;在該過程中浸潤面均出現在試樣表面中部,在硅膠接頭與法向加載壓頭接觸面并無滲流水溢出跡象,防滲效果較理想。

圖11 2 MPa 滲透水壓下干燥砂巖試樣表面浸潤狀態Fig.11 Wetting state of dry sandstone sample surface under permeable water pressure of 2 MPa

3 結論

(1)水—巖作用是影響巖質邊坡長期穩定的重要因素;降雨形成的高滲透壓將加劇邊坡巖體結構損傷和強度劣化,而已有的滲流試驗研究均在低滲透壓條件下進行,不足以反映連續強降雨條件下邊坡巖體的滲流實際。因此,利用自主研制的可實現高壓滲流巖石剪切—滲流耦合試驗裝置,開展了高壓滲流作用下的飽水砂巖剪切—滲流耦合試驗研究,研究成果對于巖質邊坡長期穩定性研究具有參考意義。

(2)試驗及分析表明:① 水與滲透水壓對砂巖剪切力學特性具有劣化作用,且滲透水壓越大,飽水狀態下砂巖抗剪強度、法向變形與剪切變形逐漸減小,劣化效果越明顯;② 在屈服破壞階段,砂巖法向變形與法向應力的變化反映了砂巖在剪切過程中的裂紋擴展情況;③ 在剪切過程中,次級裂紋呈對稱出現,隨著滲透水壓增大次級裂紋逐漸減少甚至消失,剪斷面趨于平整;④ 剪切盒所設計使用的硅膠接頭密封方式具有很好的密封作用,有助于解決目前普遍存在的高滲透水壓作用下的剪切盒密封難題。

(3)水—巖相互作用機制研究是一項極其復雜的工作。本研究僅從滲透水壓角度進行了初步探討,有關滲透水壓對巖體黏聚力、內摩擦角等參數的影響,剪切過程中滲流狀態的演化規律以及裂紋擴展機制等問題還需進一步研究。