（工程力学专业论文）膨胀性弃填裂隙水力特性实验研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：耋业带 日期：洲一年卵z 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑卅i 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：露3 匕帮 日期：硼易年么月二日 摘要 摘要 对于非充填裂隙的本构关系和渗流规律，前人做了大量的研究，而对充填 裂隙的研究相对较少，对膨胀性充填裂隙的研究鲜有见及。然而，自然界中却 存在大量充填裂隙。基于此现象，本文开展对膨胀性充填裂隙的初步探索，期 望能以新的思考角度来分析引起工程失稳、地质灾害的原因。本文在总结前人 研究成果的基础上，建立充填裂隙物理模型，通过膨胀性充填裂隙应力轴向应 变实验和渗流应力实验，取得了以下三点研究成果： 1 、膨胀性充填裂隙峰前期本构关系明显可以划分为两个阶段：塑性阶段和 线弹性阶段。根据膨胀性充填裂隙峰前期共性规律和特征，构建了膨胀性充填 裂隙本构模型。 2 、膨胀性充填裂隙的渗透率随有效应力增大成负指数规律减少，并表现出 明显的非线性特征。当有效应力小于1 o m p a 时，样品的渗透率随着有效应力 的增大而急剧降低；当有效应力大于1 o m p a 时，随有效应力的增加渗透率降 低速度迅速减小，且趋于稳定。 3 、当围压在1 o m p a 时，膨胀性充填裂隙渗透率明显比其它围压条件下的 大，且渗流速率较大；当围压为1 5 m p a 时，裂隙渗透率较围压2 o m p a 、2 5 m p a 下的大，且水压在0 9 m p a 后，渗透率随着水压升高，渗透率开始增大；当围 压为2 o m p a 和2 5 m p a 时，裂隙渗透率与水压关系曲线接近，说明较高围压 下渗透率受水压影响较小。 关键词：膨胀性充填介质裂隙本构关系渗流 a b s t r a c t f o rn o n f i l l i n gf r a c t u r e si nt h ec o n s t i t u t i v ea n ds e e p a g ea n c e s t o r sd i dal o to f r e s e a r c h ，b u ts t u d yo nf i l l e df r a c t u r ei ss m a l l ，t h ef i l l e df r a c t u r ew i t he x p a n s i v e m e d i ai sr a r e l ys t u d i e d h o w e v e r , t h e r ei sas i g n i f i c a n ta m o u n to fn a t u r eb u tf i l l e d f r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i a , b a s e do nt h i sp h e n o m e n o n ，t h i sa r t i c l eo nf i l l e d f r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i ap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o nt oe x p e c tf o rt h ea n a l y s i so f i n s t a b i l i t ya n dt h ec a u s eo fg e o l o g i c a lh a z a r d st op r o v i d e dt h en e wt h i n k i n ga n g l e t h ep r e v i o u sr e s e a r c h r e s u l t sa r es u m m a r i z e da n dt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ef i l l e d f r a c t u r ei se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ef i l l e df r a c t u r ew i me x p a n s i v em e d i as t r e s sa x i a l s t r a i ne x p e r i m e n t a la n ds e e p a g e - s t r e s st e s t ，t h r e em a i nc o n c l u s i o n sw e r ee d u c e d ： ( 1 ) t h ee a r l yp e a kc o n s t i t u t i v eo f t h ef i l l e df r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i ac a nb e o b v i o u s l yd i v i d e di n t ot w os t a g e s ：t h ep l a s t i cp h a s ea n dt h el i n e a re l a s t i cs t a g e a c c o r d i n gt ot h ec o n l m o nl a wa n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee a r l yp e a ko ft h ef i l l e d f r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i a , t h i sa r t i c l eb u i l tt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo ft h ef i l l e d f r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i a ( 2 ) t h ep e r m e a b i l i t yo ft h ef i l l e df r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i ad e c l i n e sw i t h t h ei n c r e a s i n ge f f e c t i v es t r e s s ，a n ds h o w e ds i g n i f i c a n tn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s w h e nt h e e f f e c t i v es t r e s si sl e s st h a n1 0 m p a ，t h es a m p l ep e r m e a b i l i t yw i t ht h e i n c r e a s i n ge f f e c t i v es t r e s sd e c r e a s e ss h a r p l y ；w h e nt h ee f f e c t i v es t r e s si sg r e a t e rt h a n 1 0m p a ，t h ei n c r e a s ei np e r m e a b i l i t ya n de f f e c t i v es t r e s sr e d u c t i o nr a t ed e c r e a s e s r a p i d l ya n ds t a b i l i z e d ( 3 ) w h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei s1 0 m p a ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h ef i l l e d f r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i ai sl a r g e rt h a nt h ep e r m e a b i l i t yo fo t h e rc o n f i n i n g p r e s s u r e ， a n dh i g h e rf l o wr a t e ；w h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei s 1 5 m p a , t h e p e r m e a b i l i t yo ft h ef i l l e df r a c t u r ew i t he x p a n s i v em e d i ai sg r e a t e rt h a nt h ec o n f i n i n g p r e s s u r ea t2 0 m p aa n d2 5 m p a , a n da st h ew a t e rp r e s s u r ei sm o r et h a no 9 m p a , t h e p e r m e a b i l i t yb e g a nt oi n c r e a s e ；w h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei s2 0 m p aa n d2 5 m p a , t h ef r a c t u r ep e r m e a b i l i t ya n dw a t e rp r e s s u r ec u r v ec l o s et o ，i n d i c a t i n gt h a tt h ew a t e r i l a b s t r a c t p r e s s u r eo np e r m e a b i l i t yi ss m a l la tt h eh i g h e rc o n f i n i n gp r e s s u r e k e yw o r d s ：t h ee x p a n s i o no ff i l l i n gm e d i a ；f r a c t u r e ；c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ； s e e p a g e i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v l 前言i l h l j 舌 1 1 研究的目的及意义1 1 2 充填裂隙水力特性国内外研究现状2 1 2 1 裂隙的本构关系研究现状2 1 2 2 裂隙渗流研究现状3 1 2 3 充填裂隙的本构规律及渗流规律研究5 1 3 本文主要的研究工作与方法j 6 2 充填介质的性质7 2 1 充填介质的胀缩特性7 2 1 1 充填介质的变形7 2 i 2 充填介质的膨胀性指标及其特性7 2 1 3 充填介质的收缩性指标及其特点8 2 2 充填介质的渗透性与崩解性1 0 2 2 1 充填介质的渗透性1 0 2 2 2 充填介质的崩解性i i 2 3 充填介质的压缩性1 1 2 4 充填介质的裂隙性1 l 2 4 i 裂隙性的宏观表现1 l 2 4 2 裂隙性的微观表现1 1 i v 目录 2 5 本章小结1 2 3 膨胀性充填裂隙的本构关系物理模拟1 3 3 1 膨胀性充填裂隙本构关系的理论分析1 3 3 1 1 物理模型的建立1 3 3 i i 1 物理模型的概念1 3 3 i i 2 物理模型的单值条件和相似判据1 3 3 1 1 3 充填裂隙模型的建立1 6 3 1 2 充填裂隙本构关系理论分析1 7 3 2 膨胀性充填裂隙本构关系实验1 8 3 2 1 实验仪器1 8 3 2 2 实验原理1 8 3 2 3 样晶的制备1 8 3 2 4 实验过程2 l 3 2 5 实验数据处理与结果分析2 5 3 2 5 1 实验数据处理及结果2 5 3 2 5 2 实验结果分析3 1 4 膨胀性充填裂隙渗流应力实验3 6 4 1 实验仪器3 6 4 1 1 实验仪器简介3 6 4 1 2 实验仪器的主要技术指标3 7 4 1 3 实验仪器的微机处理系统3 8 4 2 膨胀性充填裂隙渗流应力实验原理3 9 4 3 膨胀性充填裂隙渗流应力实验样品的制备4 0 4 3 1 制各样品需要的仪器与材料4 0 4 3 2 样品制备过程4 0 4 4 膨胀性充填裂隙渗流应力实验过程4 1 4 4 1 围压加载步骤4 l v 目录 4 4 2 实验方案的设计4 3 4 4 3 实验的观测和记录4 3 4 5 膨胀性充填裂隙渗流应力实验结果及分析4 4 4 5 1 实验结果4 4 4 5 2 实验结果分析4 5 4 5 2 1 不同宽度充填裂隙渗流特性分析4 5 4 5 2 2 围压条件下充填裂隙渗透率与水压关系4 8 5 结论5 1 参考文献5 2 致谢5 5 个人简历、在读学位期间发表的论文及参加的科研项目5 6 v i 1 前言 1 前言 1 1 研究的目的及意义 西部大开发战略的实旌，使得在工程中会碰到特殊的地质环境，许多的科 学技术工作者也已经认识到冻胀效应对工程造成的危害，并做了大量的研究工 作。膨胀性岩体对工程影响，也已经引起诸多学者的重视( i 】；巨型山崩、滑坡、 泥石流以及大型矿山的塌陷等从孕育、形成、发展到成灾的非线性系统动力学 过程和时空预测将是重大的研究难题【2 】，虽然目前关于地质灾害的研究以后很 长的历史，也有相当丰富的研究成果，但是由其造成的巨大损失却与日俱增。 无论是西部开发中碰到的特殊地质环境，还是地质灾害都与岩体密切相关，自 然界中的岩体经过长时间的成岩与改造的作用，其内部包含多种矿物晶粒、胶 结物、节理、和裂隙等缺陷，它们的存在即对岩体的强度和变形起控制作用， 又为地下水提供了储存和运移的场所。学者们针对岩体的这些缺陷进行了大量 研究，并取得了很多成果，应用于众多的水工建筑、道路工程或露天采矿场工 程中，并能够通过其规律来预测预防地质灾害，避免了大量的经济损失。 实际工程中，岩体裂隙非常常见，如我国的二滩水电站坝基岩体的结构特 征就表现为岩体的裂隙性，其联通率可达到5 0 ；三峡水电站永久船闸边坡区 岩体也是表现为裂隙性。裂隙错综复杂，在岩体中构成的网络是水的主要通道， 因此，研究岩体力学必须从单一裂隙的本构关系及水力特性进行研究。 岩体裂隙的变形是从使用一次线性胡可定律表征研究开始，随着研究的深 入，学者们逐渐认识到在低应力阶段常存在裂隙的压密阶段，致使岩体应力应 变曲线呈曲线的特征。孙广忠【3 】( 1 9 8 3 ) 通过实验建立岩体裂隙弹性压缩变形 本构方程；刘亚晨【4 】等( 2 0 0 1 ) 以实验结果为基础，建立了岩体裂隙温度应力 水力的耦合本构关系式；杨圣奇【5 】等( 2 0 0 4 ) 建立了单轴压缩下岩石损伤统计 本构模型。刘晓丽【6 】等( 2 0 0 6 ) 建立了膨胀岩一维非稳定膨胀的本构关系。而 关于岩体单裂隙的渗流模拟最早是将裂隙简化为两块光滑平行板构成的裂隙， 前苏联学者? 7 77 7 7 ( 1 9 5 1 ) 、西方学者s n o w 7 】( 1 9 6 5 ) 等建立了通过裂隙的流 量与隙宽3 次方成比例的经典公式，l o u i s 8 】( 1 9 7 4 ) 、刘继l h t 9 】( 1 9 8 7 ) 、速宝 1 前言 玉【1 0 】等( 1 9 9 4 ) 、周创兵【1 1 】等( 1 9 9 8 ) 、刘才华【1 2 1 ( 2 0 0 2 ) 等，他们先后研究单 一裂隙在应力环境下的水力特性，提出了许多实验成果。 以上研究实验主要是针对无充填单裂隙而研究，而岩体裂隙被充填的现象 是普遍存在的：充填介质对于裂隙岩体形变积累的影响不容忽视，也就是说膨 胀性充填介质产生的力学效应即使不足以使单一裂隙的变形而引起岩体的失 稳，那么众多的裂隙所产生的综合效应也会使岩体内部结构发生较大的调整， 使得裂隙岩体的渗流状况产生较大的变化，进而引起裂隙岩体应力状况的扰动， 对工程的稳定性带来不利的影响。膨胀性充填介质具有的多重力学效应会对工 程中的岩体产生影响，特别是在地下岩体的开挖过程中，膨胀性充填物产生的 地压活动，对巷道的稳定性威胁最大，增加了工人的危险性。 工程实践表明，膨胀性充填介质主要是膨胀土，而膨胀土在我国的分布范 围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川1 、陕西、河北、安徽、江苏等地均 有不同范围的分布。充填介质在与水的耦合作用下会产生塑化、液化和崩解的 现象，使得岩石体的较弱裂隙面的应力降低，致使拥有高应力状态的岩石体裂 缝中的应力朝着裂缝四周释放，从而打破原来的应力平衡状态，就是说应力状 态发生了变化，引起整个岩石体裂缝的变形，变形的积累达到一定程度，就会 引发岩石体的失稳，造成很大的地质灾害。所以从新的角度研究岩体破坏规律， 势必会成为今后趋势，膨胀性充填裂隙正是基于此而开展研究岩体变形及渗流 规律，以期望为实际工程问题的解决及地质灾害的预防提供参考。 1 2 充填裂隙水力特性国内外研究现状 1 2 1 裂隙的本构关系研究现状 早期岩体基本力学性质的研究主要集中在测定岩石在应力作用下的强度和 变形性能，用于估计工程岩体的变形与稳定性。 孙广忠【1 3 1 对岩体裂隙变形做了深入研究，提出了岩体裂隙变形的本构规律： 盯 占：l + 占；。( 1 一e8 j ) ( 1 1 ) 占= + 占；n le j 1 e b ” 式中e 表示实际岩体变形，o 表示岩体受正应力，e 。表示岩块的弹性模量， e i o 表示裂隙面的最大闭合应变，e j 为结构面闭合产生变形的当量模量。 2 1 前言 m a l p a s s e t 拱坝失事以后，并且取得了丰富的研究成果，使岩石力学得到长足的 发展。 1 9 6 5 年，理想单一裂隙渗流立方定律的首次推导成圳7 】，随后的学者开始 从不同的角度研究裂隙渗流规律。当使用平均隙宽时，l o u i s t 8 1 、速宝玉【1 4 】通 过实验得到了天然裂隙的渗流在层流的时仍遵循立方定律，不过要进行系数修 正；当使用水力隙宽、机械隙宽时，b 椭n 【1 5 】发现裂隙渗流规律具有明显的超 立方关系，张有天【1 6 】在此基础上研究得到了这种超立方关系随着裂隙的粗糙程 度的增加而增大；耿克勤【1 7 】贝u 提出对于各种裂隙，不论开度如何都具有显著的 次立方关系，并随开度的增大而减小；许光祥【1 8 】基于理想裂隙渗流遵循的立方 定律，通过多种人工裂隙的实验研究，证明了超立方和次立方定律在粗糙裂隙渗 流中可能同时存在，并初步提出了临界判别的定性标准；速宝玉【l 钠、a m a d e i t l 9 】 等进行了仿天然裂隙的实验研究，认为采用平均缝宽后，天然裂缝渗流在层流 时仍遵循立方定律，不过需要对系数进行修正。 研究单裂隙中的水的渗流过程时，单裂隙常被假设为光滑平行板裂隙模型。 光滑平行板裂隙模型定义裂隙是由两片光滑、平直、无限长的平行板构成，裂 隙的宽度比长度小得多，其宽度与其长度一般相差1 0 2 个数量级甚至更大。许多 学者在裂隙渗流应力耦合特性方面进行了研究：在法向应力的作用下，裂隙岩 体渗透系数随正应力的增大而变小f 1 5 ，17 ，2 0 1 ，两者之间成负指数关系【8 】，裂隙渗 透系数与应力和变形之间存在良好的耦合的关系【2 1 】；有的学者则认为裂隙面法 向变形随法向应力符合双曲线规钭2 2 , 2 3 】；双向等压和双向不等压实验研究的出， 渗流量与应力成4 次方关系或非整数幂关系【2 4 】；而在逐渐增加围压的作用下， 裂隙渗透率呈现下降的规律【2 5 ；裂隙中的流体也会对渗流产生重要影响，柴军 瑞【2 6 】，仵彦卿【2 7 】等做了系列研究。 对于裂隙岩体由于流一固耦合效应比较明显采用传统的d a r c y 定律去求解 这类渗流问题，误差较大。二十世纪后期，人们逐渐认识到裂隙在岩体中的重 要性，作为基础性的单裂隙面渗流一应力耦合特性成为理论和实验研究的重点。 目前国内外关于裂隙体室内渗流实验进行的较多，取得了一定的数据及研究成 果。在单裂隙面的流一固耦合渗流机理方面g a l e l 2 8 1 、c h i n f u 2 9 、 l b o r g e s s o n 3 0 1 、刘继山等通过实验或理论分析研究，直接或间接地得出渗流 一应力的关系式。 关于无充填裂隙的渗流模型有三种趋势【3 1 j ：( 1 ) 等效连续介质模型，指出裂 4 1 前言 刘亚晨 4 1 等通过实验给出了岩体裂隙的温度应力水力耦合本构关系式： r11 1钿0 7 出2 - l i 荔+ 乏丽- j d 勺q 勺勺卜1 盯+ 鸭d p 一乏丽d 一印云i m q 卫 式中q ( r ) 为温度丁时裂隙所受应力为j ，时的切线模量( p a ) ，a 2 ( t ) 为温 度t 时岩石在s 3 作用下引起的裂隙变形的虚拟切线模量( m p a ) ，a 4 为自由状 态下( o = o ) ，岩石的热膨胀引起的裂隙在温度t 时的虚拟切线膨胀系数，舐( 丁) 为岩石在动水压力作用下变形引起的裂隙变形的温度t 时的水压虚拟影响系数 ( p a 1 ) ，瓯( 丁) 为岩石在体力p 作用下变形引起的裂隙变形的虚拟体积模量 ( m p a ) ，a t ( a p & ，卯瑟) 为裂隙结构面因水压梯度、温度梯度引起的抽象变形 速率( m s ) 。 杨圣奇【5 】等提出了单轴压缩下岩石损伤统计本构模型： 一 1 i o r = ( 1 埘如+ 6 e e e x p ( _ 【昙( 去石靠) _ 】) ( 1 3 ) 式中d 表示损伤比例系数，表示裂隙在c 处强度下的应变，s c 表示裂隙 所受c 点的应力，m 表示本构模型参数。 刘晓丽，王思敬等人1 6 i 进行了侧限条件下膨胀性物质浸水轴向膨胀的实验 研究，基于实验结果，提出了膨胀非稳态一维膨胀本构关系： g = t 1 一l g ( 1 + o r ) l g ( 1 + 吒) 】 ( 1 4 ) 引入时间效应：q = 气( 1 一p - 船) 用来描述其膨胀过程随时间的变化规律。 式中：q 为t 时间内轴向膨胀率；气为轴向最终膨胀率；k 为吸水膨胀系 数。 以上研究工作主要集中在无充填单裂隙的本构规律，学者们以实验数据为 基础得到的反映裂隙本构规律的公式，为充填裂隙的研究提供参考。 1 2 2 裂隙渗流研究现状 岩石裂隙是构成整个岩体裂隙网的基本单元，岩石裂隙渗流特性是研究裂 隙岩体渗流的基础。目前的研究主要集中在非充填的裂隙渗流特征，而实际的 自然界中裂隙被充填是很普遍的现象。从1 8 5 6 年法国学者达西通过沙柱中水的 渗透实验得到著名的达西定理开始，研究学者开始关注裂隙渗流的实验研究， 但是直到1 9 5 1 前苏联学者月omhae 才通过实验对单一裂隙进行研究并得到立 方定律，而国内外学者对裂隙岩体问题展开实质性研究的是在1 9 5 9 年法国 3 1 前言 隙岩体是一种具有连续介质性质的物质，以渗透率张量为基础、用连续介质方 法描述岩体渗流问题的数学模型。( 2 ) 裂隙网络介质模型，把裂隙介质看成由不 同规模、不同方向的裂隙个体在空间相互交叉构成的网络状系统，成为裂隙网 络，地下水沿裂隙网络运动，该模型忽略岩块的孔隙系统，把岩体看成单纯的 按几何规律分布的裂隙介质。( 3 ) 双重介质模型，是由b a r r e n b l a t t 于1 9 6 0 年提 出的，假定岩体是孔隙介质和裂隙介质相重叠的连续介质( 即孔隙一裂隙二重 性) ，孔隙介质储水，裂隙介质导水。 对单裂隙的应力应变与渗流耦合作用的关系分析，是岩体裂隙网络整个应 力场和渗流场之间关系研究的基础。原状岩体单裂隙在水的渗流作用下，产生 一定的变形，变形一般由裂隙内部的应力作用引起，随之而发生的是裂隙宽度 的变化，又出现影响裂隙渗流作用的现象。应力场的产生，势必会造成岩石裂 隙的宽度变化，主要是造成裂隙宽度的增大和减小。裂隙的宽度的增大是因为 裂隙内部应力的过大，对岩体裂隙面产生膨胀应力；裂隙宽度的减小是由于岩 体的自重应力逐渐增家的结果，裂隙内部应力远远小于其自重应力时，就表现 为裂隙的宽度渐渐闭合；在实际的工程中，人为的对岩石裂隙的应力场的扰动， 也会使岩体裂隙的宽度发生变化。因此，研究变形岩体中单裂隙渗流特征，具 有重要的理论和实际意义【3 2 】。 1 2 3 充填裂隙的本构规律及渗流规律研究 充填裂隙的本构规律，学者们很少研究，而对膨胀性充填裂隙的本构关系 研究，相关文献报道也很少，本文基于此建立膨胀性充填单裂隙物理模型，初 步以实验数据为基础，总结其本构规律。 而关于裂隙充填的水力特性研究，学者们从不同的介质模拟：刘才华【1 2 】等 研究裂隙在砂充填的情况下的渗流规律，研究发现裂隙流量在剪切变形不大时 呈下降趋势，但随剪切变形的进一步增加流量随之增加；陈金刚【3 3 】等研究裂隙 在膨胀行性充填物的情况下的渗流规律。 充填裂隙的渗流特性不仅与裂隙的宽度有关，而且与充填物的颗粒粒度组 成有显著关系，充填裂隙渗透性遵循半经验理论公式【l o l 。但其他研究表明，填 充裂隙仍符合立方定律，不过要进行修正，修正系数与填充材料的性质有关。 充填介质的多重力学效应对岩体的比变形能够产生很重要的影响，能够加大裂 隙的渗透作用【3 4 】。 5 1 前言 通过以上研究成果的分析，对膨胀性充填裂隙最基础的研究工作是探索其 本构关系及渗流特性。需要做的工作应从单裂隙的物理模型的建立开始，到整 个单裂隙模型的制备完成，在这一过程中，考虑充填介质的厚度、含水量、密 度等参数对裂隙本构关系的影响，裂隙的渗透性与充填介质的关系如何。 1 3 本文主要的研究工作与方法 物理模拟实验涉及到的学科面比较广，它不但包括研究对象本身的因素， 而且还考虑实验的仪器和设备、实验条件、实验技术和方法、实验精度等众多 因素的影响。所以在对裂隙的模拟中，需要考虑模型材料与实际的相似性，裂 隙样品满足实验设备的要求。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 按照物理模拟相似理论及原则，选择满足研究要求的材料进行充填裂 隙物理模型的制作，同时采用设计制作成型模具，来控制模型精度。 ( 2 ) 根据前人对裂隙的研究成果，推导充填裂隙本构关系理论公式。 ( 3 ) 进行充填裂隙单轴压缩实验，通过处理实验数据，做出充填裂隙应力 应变关系曲线，建立充填裂隙本构关系模型。 ( 4 ) 完成充填裂隙渗流应力实验，通过对实验结果的分析和整理，探讨充 填裂隙渗流与应力之间的关系。 6 2 充填介质的性质 2 充填介质的性质 由于充填介质中含有丰富的能够与水易结合的黏性物质，因而其具有吸水 量大、很强的塑性，快速的崩解性，以及剧烈的膨胀性与收缩性等特性。这些 充填介质的性质势必对充填裂隙的渗流产生重要影响，从而使充填介质与岩体 之间的耦合作用不能忽略。 2 1 充填介质的胀缩特性 2 1 1 充填介质的变形 充填介质的变形主要由膨胀和收缩两个方面的描述。膨胀指的是在一定的 范围内由于水沿裂隙渗流，充填介质慢慢吸收到的水使其增大的过程，充填介 质与水的共同作用产生膨胀；收缩是由于裂隙中水流的停止，没有新的渗流水 的补充而造成裂隙中水的流失，充填介质中逐渐失水而使其体积减少的现象， 因此收缩变形是充填介质变形的非常重要的一部分。 充填介质的胀缩特性【3 5 1 除了受充填介质本身的黏性物质成分的多少及含水 量的大小来决定之外，还有两个重要的因素也需考虑，即充填介质的基质吸力 和湿度的变化。当充填介质与水相互作用时，随着含水量的增加，其体积将显 著增大，即表现了强烈膨胀性。如果在充填介质体积膨胀过程中受到裂隙壁限 制，那么充填介质中就会表现出内部应力，我们一般叫做膨胀力，膨胀力的大 小与充填介质充填的量及含水量有关。 2 1 2 充填介质的膨胀性指标及其特性 自由膨胀率和不同压力下的膨胀率是反映充填介质的膨胀变形性能的两个 重要指标。 ( 1 ) 自由膨胀率站 自由膨胀率是指经过干燥后的充填介质样品，在充分浸泡吸水膨胀后所增 加的体积与干燥前体积的比值，即： 7 2 充填介质的性质 万e f - - v i v a - 搿v 。1 0 0 ( 2 1 ) 式中：珩一样品初始体积( m 1 ) 场一样品稳定膨胀后体积( m 1 ) 测试自由膨胀率的方法易于操作，是充填介质的综合判别指标。由其产生 的膨胀压力最大可达8 0 0 k p a 3 6 1 ，可见充填介质对岩体裂隙壁有潜在的力学效 应，能够使岩体发生变形积累。 ( 2 ) 线膨胀率瓦 在一定压力下，充填介质样品在侧限条件下，浸水膨胀稳定后沿铅锤方向 增加的高度与开始高度的比值就是线膨胀率，即： ：兰鱼1 0 0 ( 2 2 ) 式中五r 充填介质样品浸水膨胀稳定后的高度( i 姗) 、 五厂充填介质样品原有高度( m m ) 自然充填介质用于做膨胀率测试的实验，但实验是在有一定侧限条件下， 将实验条件理想化，与实际有一定区别。充填介质的膨胀变形和压力，两者的 关系主要由膨胀率决定，压力增加，膨胀率减小；压力减小，膨胀率增加。膨 胀性充填介质的含水量的不同，也会对膨胀率与压力关系造成影响，一般是在 同一压力的施压下，含水量越低，膨胀率就会越大，反过来就会变小。研究表 明，充填介质在压力很低的情况下，其吸水能力大小主要由它的初始含水量决 定。 ( 3 ) 膨胀力只 膨胀力是充填介质样品在体积不变化时，慢慢吸水后膨胀产生的自身应力。 充填介质的膨胀力与膨胀率有着密切的关系，一般膨胀率越大，则膨胀力也越 大；膨胀率越小，则膨胀力越小。实验研究表明充填介质的膨胀能力逐渐增加 到一定的程度，其内部的应力将会逐渐减至零。所以，充填介质膨胀力与膨胀 率的关系是相互影响的。 2 1 3 充填介质的收缩性指标及其特点 充填介质的收缩是由于充填介质中水分不断的蒸发减少导致其体积变小的 r 2 充填介质的性质 过过程。当样品中含水量减少到一定值时，样品的体积将随之收缩到一定限度 而不再继续缩小【3 7 1 。所以我们在实际的工程当中用收缩含水率、收缩率和收缩 系数作为充填介质收缩变形性能的指标。1 ( 1 ) 收缩含水率纸 收缩含水率指的是指充填介质失水收缩稳定后的最低含水量，也简称缩 限。影响充填介质的收缩性能因素有介质中胶粒含量、粘土矿物成分。因此， 即使同一地区的不同的岩体裂隙部位，介质的收缩性也可能不同。 ( 2 ) 收缩量 收缩量指的是一定体积的膨胀性充填介质中水分不断的蒸发减少体积的缩 小量值，所以我们用收缩率和收缩系数来判定膨胀性充填介质的收缩量。 收缩率坑 充填介质的收缩率暖是指充填介质样品在含水的情况下到干燥的过程中收 缩的高度与其原样品高度之比值： 正：堕兰1 0 0 ( 2 3 ) 式中办一样品失水收缩后的高度( m m ) j i l 厂样品原始高度( m m ) 以充填介质样品的含水率为横坐标，线收缩率为纵坐标，绘制的充填介质 的含水率与线收缩率关系曲线如图2 1 所示。由图中我们可以看到，在充填介 质样品失水的过程，即是样品收缩的阶段，其体积收缩的大小等于散失水量的 多少，大致是成直线关系；充填介质样品收缩到一定量，其本身的物质组成就 会让它只能在一定范围内收缩，这就是到了样品的过渡阶段；而当充填介质中 的含水量减小到一定值的时候，充填介质将保持很小的收缩，其曲线又返回直 线，即微缩阶段。 收缩系数丑 收缩系数五的意义为原状充填介质样品在上述曲线中的直线收缩阶段，含 水率减少l 时的线缩率。即 允：箜 ( 2 4 ) 。 a c o 式中：4 l _ 直线收缩阶段两点含水率之差( ) 9 2 充填介质的性质 毋一与触变化范围相应的线缩率变化值( ) & ( ) 0 纰y u ( ) 图2 1 线收缩率与含水率关系3 8 1 充填介质胀缩变形可直接影响裂隙岩体的稳定性，可能会使一些岩体裂隙 面发生相对位移，产生小变形。 2 2 充填介质的渗透性与崩解性 充填介质的含水储存空间特性与水分转移的规律，通常可分为裂隙介质、 溶蚀介质、孔隙介质三种类型，一般称为裂隙水。存在并流动于膨胀性充填介 质孔隙或裂隙中的水产生静水压力和渗透力，影响到膨胀性充填介质颗粒间力 的平衡状态，而且是膨胀机理的依据。反之，应力状态也控制着破裂介质中不 连续面的几何形态变化，或控制着孔隙介质的孔隙变化，决定着介质水力特性。 对于非饱和充填介质情况，其渗透性与有效应力和基质吸力有紧密联系【3 9 1 。 2 2 1 充填介质的渗透性 根据室内渗透实验和现场的取样实验结果表明，充填介质的透水性是很微 弱的，不同类型的介质的渗透性有所不同，在室内的渗透实验所测得的样品渗 透系数要比现场测得的系数大。 在自然界中的膨胀性充填介质丰富的区域，其渗透性可以直接从现场的裂 隙水的流出而观察到；对有介质充填的裂隙岩体内，水流特性可以认为是层流。 1 0 2 充填介质的性质 2 2 2 充填介质的崩解性 崩解性是膨胀性充填介质浸水所发生的一种吸水湿化现象m ，由于介质表 面颗粒首先吸附水分子形成水化膜，使颗粒间连结削弱。膨胀性充填介质的解 体形式是多种多样的，不同崩解形式和崩解速度取决于岩体的成分、结构、颗 粒分布、胶结程度及供水条件等。样品内部的胶结成分被水溶解，介质的结构 被破坏。而且岩体多裂隙性，雨水渗入岩体裂隙中，介质很快吸水并迅速的膨 胀，使岩石裂隙面产生不均匀内力，岩体裂隙网络将进行小变形的积累，积累 效应的扩大化，将使整个岩体产生崩塌，造成地质灾害。 2 3 充填介质的压缩性 充填介质的压缩主要是由于外力作用下充填介质中含有的孔隙的闭合，一 般用压缩系数 ) 的压缩模量( 回来表征。一般在天然的干燥情况下介质的孔隙率 非常的低，在0 5 4 0 - - 0 7 8 1 之间，所以充填介质在干燥的情况下的压缩量很小。 2 4 充填介质的裂隙性 2 4 1 裂隙性的宏观表现 充填介质在成整体的过程中由于温度、湿度、压缩以及不均匀胀缩效应形 成了许多网状交错裂隙和软弱结构面，即裂隙性。裂隙为岩体中的流体提供了 自由通道，使裂隙能够相互的联通，加快结构面的发育，当结构面扩大到一定 的规模，整个岩体的稳定性就会发生改变，严重的可以诱发地质灾害。 2 4 2 裂隙性的微观表现 充填介质微观结构包含矿物成分及其聚集形状、大小、裂隙、孔隙的构造 等。奥西波夫【3 4 】指出微观结构分为五类：蜂窝状、骨架状、基质状、紊流状及 层流状。蜂窝状的结构特点是松，不牢固，孔隙率高，具有强烈的胀缩性，抗 压、抗剪强度低；骨架状结构比蜂窝状结构稍微密实，触变性是其显著的特征； 基质状结构其中含有无序分布的粉粒和沙粒，属于中等密实程度；紊流状结构 由沿层理定向很好的黏土微集聚体组成，具有中等和高压密实程度；层流状结 构的特征是结构单元按大小具有良好的分选性及岩层理面的高度定向性，呈各 1 1 2 充填介质的性质 向异性。范秋雁f 2 1 发现无论那类充填介质，在电镜下都会看到其内部含有大大 小小的微孔隙，其主要矿物成分主要以集聚体的形式存在，不仅集聚体之间存 在孔隙，而且集聚体内也存在比较小的孔隙。 2 5 本章小结 本章对充填介质的胀缩特性、渗透性与崩解性、压缩性以及裂隙性进行了 综述，这是膨胀性充填介质的最基本的性质，了解和掌握这些特性对于全面了 解膨胀性充填介质的物理力学性能及对充填岩石裂隙渗流的作用机理研究，都 有十分重要的意义。 1 2 3 膨胀性充填裂隙的本构关系物理模拟 3 膨胀性充填裂隙的本构关系物理模拟 3 1 膨胀性充填裂隙本构关系的理论分析 3 1 1 物理模型的建立 3 1 1 1 物理模型的概念 物理模型指的是用与自然界中的实体力学性质相似的材料按几何相似常数 放大或缩小制成的模型。物理模型一种是定性模型，主要目的是通过模型实验 去定性地分析实体中发生某种现象的本质和机理；或者使用多个模型实验了解 某一因素所产生的某种现象。在这种模型中，各种相似关系不必严格的遵循， 而相似常数得到满足即可。另一种物理模型是定量模型，在这种模型中，要求 主要的物理量都尽可能的满足相似常数与相似指标。 3 1 1 2 物理模型的单值条件和相似判据h 订 1 几何相似 利用模型研究某原型有关问题时，要使之相似必须使模型与原型各部分的 尺寸按同样的比例缩小或放大达到几何相似。即： 粤：吼 ( 3 1 ) l m 。 式中日表示原型，m 表示模型，口表示几何相似常数。 在物理模型的设计中应注意以下几点： 对立体模型，必须保持( 3 1 ) 式的要求，即各方向按比例制作。 对于平面模型，或者可简化为平面问题研究的三维模型( 长度比另外两 方向的尺寸要大很多，在其中任取一薄片，其受力条件均相同的结构。) ，只要 保持平面尺寸几何相似即可，在厚度不作相似的要求，此时可按稳定要求选取 模型厚度。 对于岩土工程的模拟问题，定性模型的几何相似常数口通常为1 0 0 - - - , 2 0 0 1 3 3 膨胀性充填裂隙的本构关系物理模拟 之间，而定量模型的a l 取2 0 - 5 0 之间： 在制作小模型时，某些构件如果按整个模型的几何比例缩小制作，往往 在工艺或材料上发生困难，这时候可以考虑采用非几何相似的方法来模拟这一 局部问题。 2 物理相似 在物理模型实验中，起控制作用的物理常数往往因模型中所要解决的问题 不同而不同，以下是各类问题中对选择相似材料有控制作用的物理常数。 ( 1 ) 研究弹性范围内岩体的应力和变形 当物理模拟不考虑自重时，主要的物理相似常数有： = 争，= 争，= 鱼 ( 3 2 ) 仃m e m 式中m 表示应力相似常数，a e 表示弹性模量相似常数。 由于原型与模型的应力应变曲线应当用同一方程表示的要求，因此有： e h = 鱼与e m = 盟 ( 3 3 ) 6 h6 m 根据( 3 2 ) 式与( 3 3 ) 式可以得到相似指标： ：笠 ( 3 4 ) 口8 占是无量纲值，因此占= 1 ，所以应满足的相似指标为： a e = ( 3 5 ) 由于不计自重，因此，应力相似常数可以自由选择。 当考虑自重时，除了a s a e 和啦三个相似常数外，还应考虑岩体的容重，即： 口，：纽 ( 3 6 ) 。 在弹性范围内，原型与模型都应满足微分平衡方程，所以满足该方程的相 似指标为： l ：1( 3 7 ) 1 4 3 膨胀性充填裂隙的本构关系物理模拟 同时满足( 3 - 5 ) 的要求。 ( 2 ) 研究岩体的破坏过程 研究这类问题的时候，我们除了满足应力应变的相似条件外，还应该满足 强度相似。也就是说，模型材料的强度曲线应与岩体材料相似。我们却很难满 足这个要求，但是可以采用化简的方法，也即是用摩尔元的包络线为直线，使 强度曲线相似，即： = 黯与= 器 慨8 ， 或者满足： 2 毒铷伊2 等 ” 式中表示抗压强度相似常数；j ，表示抗拉强度相似常数；a c 表示内凝聚力 相似常数；a y 表示内摩擦角相似常数。 ( 3 ) 研究岩体的蠕变过程 模型除了满足以上两点中的要求外，还应引入时间这个物理量。时间效 应的引入，是从牛顿第二定律中演化过来的，即： 口t = 口l ( 3 1 0 ) 式中a t 表示时间相似常数，a 表示几何相似常数。 如果就理论方面而言，碰到蠕变的问题，应该满足原型和模型二者的蠕 变工程相似。事实上，我们缺乏更多的实验数据来证明这个过程相似，所以在 实验设计中如何的选取时间相似常数，就是非常棘手的问题，需要学者们进一 步