滲流-應(yīng)力-流變耦合作用下破碎帶砂巖滲透演化規(guī)律試驗研究

張 玉,徐衛(wèi)亞,趙海斌,王 偉,邵建富

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南長沙 410014; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

滲流-應(yīng)力-流變耦合作用下破碎帶砂巖滲透演化規(guī)律試驗研究

張 玉1,2,徐衛(wèi)亞3,趙海斌2,王 偉3,邵建富3

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南長沙 410014; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

膝狀撓曲破碎帶是一些水電站壩基的主要工程地質(zhì)問題。破碎帶巖性為完整性較差的軟弱砂巖,直接關(guān)系到壩基的變形和穩(wěn)定?；谄扑閹皫r組織結(jié)構(gòu)疏松、含水率較高、物理力學(xué)性能較差等特點,對滲流-應(yīng)力耦合作用下流變過程中的巖石滲透特性進(jìn)行測試。分析應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透規(guī)律,研究流變過程中滲透系數(shù)演化規(guī)律,探討滲透性演化破壞機(jī)制。得到軸向、環(huán)向和體積變形對滲透系數(shù)的影響及圍壓和孔隙壓力對滲透特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:初始加載導(dǎo)致滲透系數(shù)快速減小,并隨著非線性變形增加降低程度逐步趨緩;且環(huán)向變形比軸向變形更能靈敏地反映滲透系數(shù)演化規(guī)律;巖樣非均質(zhì)性引起孔隙度略有不同,加載作用導(dǎo)致滲透系數(shù)隨時間變化存在部分波動,但整體呈線性降低;穩(wěn)態(tài)流變階段滲透系數(shù)恢復(fù)至平緩下降,說明波動對滲透系數(shù)的整體演化無顯著影響,且圍壓增加導(dǎo)致滲透系數(shù)降低。

巖石力學(xué);破碎帶;軟弱砂巖;滲流-應(yīng)力-流變耦合;滲透演化;試驗

地質(zhì)歷史演化過程中,巖體形成了大量力學(xué)性能較差的節(jié)理、斷層和撓曲破碎帶[1-3]。作為工程中常見地質(zhì)現(xiàn)象,撓曲破碎帶巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、完整性差,對工程建設(shè)及運行期安全起控制性作用[4-5]。相關(guān)研究顯示,撓曲破碎帶巖石表現(xiàn)出變形模量小、風(fēng)化嚴(yán)重、強(qiáng)度低、滲透性強(qiáng)、遇水軟化明顯等特點,在大型水電工程建設(shè)中,是控制壩體變形和滲透性穩(wěn)定的至關(guān)重要的因素[6-7]。因此,研究長期滲流-應(yīng)力耦合條件下破碎帶砂巖滲透演化規(guī)律和破壞機(jī)制,可為巖石工程的穩(wěn)定性和加固改良措施研究提供良好的依據(jù)[8-9]。滲透性與荷載緊密相關(guān),加載導(dǎo)致巖石滲透系數(shù)發(fā)生2～5個數(shù)量級變化,且具有強(qiáng)烈的方向性[10-11],因此復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中,滲流場(H)、應(yīng)力場(M)和時間場(T)耦合作用是巖石滲透演化機(jī)制研究中必須考慮的因素。滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石滲透系數(shù)、孔隙度、應(yīng)力和損傷關(guān)系研究主要集中在短期常規(guī)試驗上,成果也較為豐富[12-16]。而長期流變荷載對巖石滲透特性及演化規(guī)律的研究還鮮有成果[17-18]。目前對于滲流-應(yīng)力-流變耦合作用下巖石滲透特性試驗研究尚不深入,相關(guān)破碎帶砂巖試驗成果更是空白。筆者以某破碎帶砂巖為研究對象,對滲流-應(yīng)力耦合作用下該砂巖流變過程中的滲透特性進(jìn)行測試,得到圍壓和孔隙壓力對滲透特性的影響規(guī)律。

1 巖樣物理特性和試驗方案

1.1 物理特性和巖樣制備

本文中研究的破碎帶砂巖鉆孔巖樣呈碎塊或碎塊碎屑狀,夾少量短柱狀,含砂土狀物質(zhì),屬完整性較差的Ⅳ-Ⅴ類軟巖。物性試驗結(jié)果表明,該砂巖相對密度較小,含水率較高,組織結(jié)構(gòu)較疏松,巖石吸水性能和透水性能較強(qiáng),物理性能較差。天然密度平均值為2.38 g/cm3,干密度平均值2.25 g/cm3,相對密度為2.67,含水率平均值為6.09%,孔隙度為16.03%,屬小孔隙度砂巖[19]。

偏光顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分測試表明,該巖石中仍保留原巖長石質(zhì)石英砂巖中細(xì)粒結(jié)構(gòu)特征(圖1,長石(F)、千枚巖巖屑(Be)、玉髓(Cha)、石英(Q,無色)、脈狀綠泥石(Ch)、絹云母(彩色)和黏土礦物(淡黃綠色))。礦物成分主要為石英(含玉髓)、長石(鉀長石和斜長石)、絹云母、綠泥石、少量鐵質(zhì)物及微量礦物,且微觀結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,受擠壓構(gòu)造及風(fēng)化、地下水作用的影響,巖體結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生破壞?；瘜W(xué)成分以SiO2為主,其次為Al2O3,并含有少量的Fe2O3、CaO、MgO混合物;砂巖SiO2含量為67.9%～79.7%,但金屬氧化物含量稍低[20]。

圖1 破碎帶砂巖巖樣及微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical sandstone specimen from fractured zone and its microstructure

破碎帶砂巖顆粒細(xì)小,含有較多伊利石、蒙脫石等黏土礦物,具有強(qiáng)親水性。黏土礦物晶胞之間聯(lián)結(jié)力弱,滲透作用下表現(xiàn)出遇水膨脹、軟化和崩解。天然狀態(tài)下巖樣密度較大,塑性指數(shù)小于10,表明細(xì)粒土屬粉土。且滲透系數(shù)為2.54×10-7～1.63× 10-6m/s,屬中等透水或弱透水巖體;時間效應(yīng)下滲水無明顯化學(xué)潛蝕作用。

1.2 試驗方法和程序

耦合條件下流變試驗均在巖石全自動流變伺服儀上開展[21]。破碎帶砂巖巖樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱狀試樣(圖1)?；诓蓸訁^(qū)現(xiàn)場地應(yīng)力資料,流變試驗圍壓pC和滲壓pS按梯級變化(表1)。采用單試樣等圍壓、軸向偏應(yīng)力分級加載方式開展恒溫恒濕條件下的流變試驗并測定滲透性。首先,依據(jù)常規(guī)壓縮強(qiáng)度確定加載應(yīng)力,加載速率為0.375 MPa/min,且持時為48 h或72 h。其次,安裝巖樣,施加圍壓至預(yù)定值,待圍壓穩(wěn)定,施加恒定滲壓;待滲透量穩(wěn)定,認(rèn)為巖樣處于飽和水狀態(tài),得到初始滲透系數(shù);最后,施加軸向偏應(yīng)力,測試軸向、環(huán)向應(yīng)變與時間關(guān)系,得到巖樣在特定時間內(nèi)的滲透系數(shù);重復(fù)操作,直至流變破壞。

表1 破碎帶砂巖流變及滲透性測試方案Table 1 Test schemes for triaxial creep test and permeability measurements

1.3 滲透系數(shù)測定

流變過程中滲透系數(shù)的測定是研究巖石滲透性的關(guān)鍵[22]。采用液體恒壓法進(jìn)行穩(wěn)定滲流試驗,通過測定滲透流量并利用達(dá)西定律計算滲透系數(shù)。制備完成的巖樣完整性較好,內(nèi)部只存在孔隙和微裂隙。假設(shè)如下:①巖樣內(nèi)部初始微裂紋均勻分布,材料視為多孔連續(xù)介質(zhì);②恒壓穩(wěn)定滲流視為連續(xù)滲流,即固相骨架和滲流同時存在于整個結(jié)構(gòu)中;③滲壓泵用水為不可壓縮流體,取室溫20℃時的物理性質(zhì)。因此,基于自主研制的滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石滲透系數(shù)測量裝置和方法(發(fā)明專利授權(quán)號: 20101025 9774.8),假定兩測量數(shù)據(jù)間隔內(nèi)巖石滲透系數(shù)恒定,則第i個記錄間隔內(nèi)滲透量Qi(m3/s)和滲透系數(shù)Ki(m/s)為

式中,m為滲透液體的質(zhì)量,g;ρ為液體密度,g/m3; ΔT為數(shù)據(jù)采集時間,s;L為巖樣長度,mm;D為巖樣滲透截面直徑,mm;Δp為滲透壓力差,MPa。

2 應(yīng)力-應(yīng)變過程滲透演化規(guī)律

2.1 滲透演化規(guī)律

滲透系數(shù)和軸向應(yīng)力與應(yīng)變之間的變化規(guī)律見圖2。破碎帶砂巖含較多微孔隙、裂隙等初始損傷,變形表現(xiàn)出軟巖特性,無明顯的破壞荷載,存在顯著塑性變形,環(huán)向及體積表現(xiàn)為延性變形。不同條件下軸向應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致,不存在壓密和峰后應(yīng)變軟化階段。加載初期,曲線呈線彈性增長,巖石剛度視為常量,偏應(yīng)力增大,軸向應(yīng)變亦增大,出現(xiàn)塑性屈服;屈服初期呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象,屈服點位置隨應(yīng)力增加而提高;應(yīng)力隨應(yīng)變變化趨于穩(wěn)定時,認(rèn)為達(dá)到破壞應(yīng)力,此時曲線斜率趨近于0,剛度亦降為0,變形接近于理想塑性狀態(tài),巖樣發(fā)生較大的塑性變形而破壞。圍壓增加,巖樣承載力和剛度提高,屈服應(yīng)力及破壞應(yīng)力增大,彈性、變形模量亦增大。但巖樣R3含有較多碎屑顆粒和初始缺陷,這增強(qiáng)了材料非均質(zhì)性,引起強(qiáng)度和變形特性整體弱化,規(guī)律性略有差異。

圖2 不同滲壓作用下軸向應(yīng)變和滲透系數(shù)演化曲線Fig.2 Axial strain and permeability evolution curves under variouspS

應(yīng)變不斷增加,巖樣滲透系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,且不同巖樣規(guī)律性基本一致。加載初期巖石初始微裂隙壓密,滲透系數(shù)降低明顯;應(yīng)力增加,滲透系數(shù)仍呈減小的趨勢,但由于內(nèi)部微裂隙開度不能無限制減小,降低幅度逐漸減弱。應(yīng)變微裂紋擴(kuò)展階段,由于巖石自身初始損傷較多、孔隙度略大等原因,內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓密遠(yuǎn)大于微結(jié)合裂紋的擴(kuò)展,滲透系數(shù)仍表現(xiàn)出緩慢下降的趨勢,下降幅度進(jìn)一步減小,趨于穩(wěn)定。以巖樣R6為例,加載初期滲透系數(shù)由11.29×10-7m/s降低至7.41×10-7m/s,降低幅度為3.88×10-7m/s;應(yīng)力增加,降低幅度降低,截止到試驗結(jié)束,滲透系數(shù)僅降低了1.44×10-7m/s。

2.2 環(huán)向和體積應(yīng)變對滲透系數(shù)的影響

以滲壓pS=0.35 MPa為例,對環(huán)向、體積應(yīng)變和滲透系數(shù)演化規(guī)律進(jìn)行分析(圖3)。曲線呈現(xiàn)明顯的線彈性變形、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和非穩(wěn)定變形破壞階段,材料發(fā)生屈服、弱化,內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及破壞,滑動面剪切滑移,巖石宏觀表現(xiàn)出環(huán)向體積膨脹或剪切擴(kuò)容現(xiàn)象,對于延性破壞的軟巖,此種現(xiàn)象尤為顯著;微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段為擴(kuò)容前的過渡階段,試樣內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展,產(chǎn)生大量裂紋面;接著產(chǎn)生擴(kuò)容,裂紋面滑動,隨著環(huán)向應(yīng)變速率增加,擴(kuò)容現(xiàn)象明顯,產(chǎn)生體積膨脹,達(dá)到破壞應(yīng)力,發(fā)生非穩(wěn)定變形破壞。加載初期,軸向應(yīng)變大于環(huán)向應(yīng)變,應(yīng)變速率高于環(huán)向,體積應(yīng)變首先減小,巖樣處于壓縮狀態(tài);偏應(yīng)力增加,環(huán)向應(yīng)變速率增大,軸向和環(huán)向變形呈同步線性增長,體積壓縮轉(zhuǎn)為膨脹,且膨脹隨應(yīng)力增加而增大;破壞階段環(huán)向應(yīng)變速率明顯大于軸向的,原因在于屈服初期局部產(chǎn)生剪切滑移和環(huán)向變形,由于承載斷面大部分材料仍處于彈性狀態(tài),局部屈服對整個巖樣軸向應(yīng)變影響微小,據(jù)此認(rèn)為環(huán)向比軸向應(yīng)變更能靈敏地反映材料內(nèi)部的屈服、弱化,亦可從另一個角度反映巖石變形過程中滲透演化規(guī)律[22]。

圖3 滲壓0.35 MPa作用下環(huán)向應(yīng)變、體積應(yīng)變和滲透系數(shù)演化曲線Fig.3 Lateral strain,volumetric strain and permeability evolution curves underpSof 0.35 MPa

相對于軸向應(yīng)變-滲透系數(shù)變化曲線,環(huán)向、體積應(yīng)變-滲透系數(shù)曲線規(guī)律性更加突出,滲透系數(shù)變化更加敏感;環(huán)向彈性應(yīng)變遠(yuǎn)小于軸向的,導(dǎo)致壓縮狀態(tài)下滲透系數(shù)曲線降低更加明顯,呈直線下降趨勢;環(huán)向變形偏離線彈性狀態(tài),體積變形由壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容,滲透系數(shù)降低逐步趨緩,出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折點;隨著應(yīng)力增加,環(huán)向擴(kuò)容逐步占據(jù)變形的主導(dǎo)地位,滲透系數(shù)曲線降低緩慢,趨于穩(wěn)定,此時巖樣內(nèi)部壓密裂紋與新生擴(kuò)展、貫通裂隙處于平衡狀態(tài)。驗證了環(huán)向應(yīng)變能夠比軸向應(yīng)變更靈敏地反映巖樣滲透系數(shù)變化。

綜上所述,破碎帶巖石滲透系數(shù)隨應(yīng)變變化分為3個階段:①加載初期變形以初始微裂隙壓密、滑移及孔洞坍塌為主,體積呈壓縮狀態(tài),應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹趨勢,滲透系數(shù)減小,且下降曲線斜率較大,屬可逆的原生微裂隙滲透階段。②應(yīng)力增加,微裂隙進(jìn)一步壓密、閉合,達(dá)到最小開度,滲透系數(shù)仍減小,但下降曲線斜率較前階段降低明顯。③巖樣內(nèi)部出現(xiàn)局部損傷積累,微裂隙發(fā)生穩(wěn)定滑移擴(kuò)展,體積表現(xiàn)為壓縮和擴(kuò)容并存,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性變形,滲透系數(shù)逐步趨于穩(wěn)定。

3 流變過程滲流演化機(jī)制

3.1 流變過程中的滲透規(guī)律

破碎帶砂巖流變過程中滲透系數(shù)隨時間變化規(guī)律如圖4、5所示。流變曲線光滑,流變變形量較大,巖樣呈現(xiàn)明顯的流變特性,各巖樣均發(fā)生了短暫的流變破壞,破壞處于加載或穩(wěn)態(tài)流變階段。應(yīng)力對流變變形影響顯著,低應(yīng)力水平下,巖樣表現(xiàn)出衰減和穩(wěn)態(tài)流變兩階段,流變變形不明顯,應(yīng)變速率減小,變形趨于穩(wěn)定值;應(yīng)力水平增長,衰減流變持續(xù)時間增加,穩(wěn)態(tài)流變速率增大,應(yīng)變最終以穩(wěn)定速率發(fā)展;最后一級應(yīng)力施加后,巖石擴(kuò)容效應(yīng)顯著,但未出現(xiàn)脆性破壞,應(yīng)變值較大或擴(kuò)容現(xiàn)象顯著時,認(rèn)為產(chǎn)生破壞。且圍壓越大,穩(wěn)態(tài)流變速率越低,相同時間內(nèi)的流變量也越小。

時效作用下,巖樣變形不斷加大,滲透系數(shù)變化雖存在一定的波動,但整體呈線性降低趨勢,不同巖樣規(guī)律性基本一致。依據(jù)滲透演化曲線和波動點較大的位置將其分為初始瞬時加載、分級應(yīng)力加載和穩(wěn)態(tài)流變滲透階段。初始瞬時加載滲透階段,巖石內(nèi)部初始微缺陷瞬時非線性壓密、閉合,滲透系數(shù)顯著降低,且降低斜率較大。圍壓pC為1.0 MPa、不同滲壓時初始瞬時加載階段的滲透系數(shù)分別由9.20×10-7m/s和70.31×10-7m/s降低至8.26× 10-7m/s和52.77×10-7m/s,降低幅度較大。

圖4 滲壓0.25 MPa時軸向流變和滲透系數(shù)演化曲線Fig.4 Axial creep and permeability evolution curves underpSof 0.25 MPa

圖5 滲壓0.35 MPa時軸向流變和滲透系數(shù)演化曲線Fig.5 Axial creep and permeability evolution curves underpSof 0.35 MPa

分級應(yīng)力加載滲透階段,滲透演化曲線存在突變點,由于自身非均質(zhì)性不同巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有差異,主要呈3種趨勢:①巖石孔隙度略大,飽和含水率較高時,應(yīng)力加載,巖石進(jìn)一步壓密,滲透量瞬間減小,但壓密作用導(dǎo)致存在于巖石內(nèi)部的孔隙水被擠出,孔隙度略大引起擠出水分明顯大于滲透水分,表現(xiàn)出滲流量增加的現(xiàn)象,呈現(xiàn)滲透系數(shù)突變增加;巖樣R3應(yīng)力2.5 MPa加載階段,滲透系數(shù)由2.70× 10-7m/s增加至3.38×10-7m/s。②當(dāng)孔隙度中等,巖石內(nèi)微裂紋閉合,滲透量減小,且壓密閉合擠出水分和滲透量減小值基本相同時,表現(xiàn)出滲流量不變的趨勢,滲透系數(shù)不存在突變,呈穩(wěn)定發(fā)展;巖樣R5應(yīng)力2.5 MPa加載階段,滲透系數(shù)由14.12×10-7m/ s增加至14.25×10-7m/s,基本沒有變化。③巖石孔隙度略低,擠出的水分小于滲透量的減小,滲流量表現(xiàn)為減小趨勢,滲透演化曲線突變降低;巖樣R4應(yīng)力2.5 MPa的加載階段,滲透系數(shù)由49.20×10-7m/ s降低至41.72×10-7m/s,降低明顯。

分級應(yīng)力加載過程中,巖石為高和中孔隙度時,高應(yīng)力加載作用下巖樣亦表現(xiàn)出滲透系數(shù)突變降低的趨勢,原因在于前幾級應(yīng)力作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部缺陷壓密閉合,孔隙度減小,應(yīng)力加大,滲透系數(shù)突變增大的趨勢逐漸減小;孔隙度減小至一定程度時滲透系數(shù)表現(xiàn)為突變降低,滲透演化曲線和孔隙度較低巖樣呈相同的變化規(guī)律;巖樣R3應(yīng)力2.5 MPa加載階段,滲透系數(shù)增加了0.68×10-7m/s;4.00 MPa加載階段,滲透系數(shù)僅增加了0.50×10-7m/s,增加幅度減小;5.00 MPa加載階段,滲透系數(shù)降低幅度達(dá)0.38×10-7m/s。

應(yīng)力加載后,持續(xù)的滲透作用和巖石軟化使內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙通道很快再次被打通,滲透量恢復(fù)至加載前相同的變化趨勢,隨時間增加而線性降低,且斜率較低,說明瞬時加載過后,巖石內(nèi)部滲透通道經(jīng)歷了短暫調(diào)整,仍恢復(fù)至穩(wěn)定平衡狀態(tài),對滲透系數(shù)的整體演化無顯著影響,此階段即為穩(wěn)態(tài)流變滲透階段,對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)流變階段。由于流變變形的增加,巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷被壓密,滲透系數(shù)整體開始呈現(xiàn)降低趨勢,但由于應(yīng)力恒定且微裂隙缺陷開度不能無限減小,滲透系數(shù)降低幅度較小。應(yīng)力1.75 MPa、圍壓1.0 MPa時不同滲壓穩(wěn)態(tài)滲透階段的滲透系數(shù)分別由8.08×10-7m/s和49.34×10-7m/s降低至7.97×10-7m/s和49.20×10-7m/s,降低幅度不明顯。

3.2 圍壓和滲透孔壓對滲透系數(shù)的影響

不同圍壓下滲透系數(shù)隨時間增加呈減小趨勢(圖6),且圍壓對滲透系數(shù)演化影響顯著。圍壓增加,滲透系數(shù)整體呈降低趨勢,圍壓1.0 MPa時滲透系數(shù)明顯大于2.0 MPa的。原因在于圍壓導(dǎo)致巖石內(nèi)部微缺陷閉合,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實,抗壓強(qiáng)度增加,滲透作用降低,滲透系數(shù)變化幅度亦降低,趨于穩(wěn)定。滲壓0.35 MPa、應(yīng)力1.75 MPa加載初期,巖樣R4、R5和R6相應(yīng)滲透系數(shù)分別為50.96×10-7、15.14×10-7和8.71×10-7m/s。

孔隙壓力對滲透系數(shù)亦存在顯著影響,孔壓增加,內(nèi)部水流通過更為明顯且軟化引起抗壓強(qiáng)度降低,滲透系數(shù)呈增加趨勢,滲透破壞趨于嚴(yán)重,滲透系數(shù)變化幅度亦越大,圍壓2.0 MPa、應(yīng)力2.5 MPa加載初期,巖樣R3和R6的滲透系數(shù)分別為2.70× 10-7m/s和8.71×10-7m/s。

圖6 不同圍壓作用下滲透系數(shù)與時間的關(guān)系Fig.6 Relation between permeability and time under variouspC

4 滲透演化破壞機(jī)制

破碎帶砂巖是不同形狀、尺寸礦物顆粒組合各異的高度非均質(zhì)性多孔材料,內(nèi)部含大量的微裂隙、孔隙等初始損傷,壓縮破壞的實質(zhì)是材料內(nèi)部微裂紋壓密、萌生、連接、擴(kuò)展相互作用的動態(tài)演化過程,宏觀表現(xiàn)為巖石的延性擴(kuò)容破壞。應(yīng)力-應(yīng)變過程經(jīng)歷了線彈性變形、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和非穩(wěn)定變形破壞階段,不同階段對應(yīng)的滲透系數(shù)亦存在變化。巖石內(nèi)部滲透的主要通道是固體骨架間相互連通的孔隙、裂隙及各種類型毛細(xì)管,初始應(yīng)力加載階段,巖石產(chǎn)生微裂隙壓密及孔洞閉合等局部調(diào)整,引起部分滲流通道閉合失去過水能力,滲透系數(shù)降低明顯;由于巖樣自身特性不同,分級應(yīng)力加載階段,滲透系數(shù)波動較大,曲線存在部分突變點,但隨著應(yīng)力提升,整體仍表現(xiàn)為降低的趨勢;穩(wěn)態(tài)流變滲透階段,流變變形緩慢增加,內(nèi)部微裂隙、孔隙不斷閉合,但滲透作用下巖石內(nèi)部孔隙存在明顯的水流通道和生成部分新裂紋,巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化處于近似平衡狀態(tài),滲透系數(shù)呈緩慢的線性降低趨勢。由于巖樣無明顯的破壞特征,當(dāng)軸向位移或環(huán)向膨脹達(dá)到一定值時即認(rèn)為產(chǎn)生延性破壞,故滲透系數(shù)演化曲線未出現(xiàn)明顯的上升趨勢。

5 結(jié) 論

(1)破碎帶砂巖組織結(jié)構(gòu)較疏松,吸水、透水性能較強(qiáng),物理性能較差,相對密度較小,屬小孔隙度砂巖;且金屬氧化物含量較低,SiO2含量較高,屬中等透水和弱透水巖體?？紤]時間作用下,滲水化學(xué)潛蝕作用不明顯。

(2)應(yīng)力-應(yīng)變過程中破碎帶砂巖應(yīng)變處于明顯的線彈性變形、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和非穩(wěn)定延性破壞階段;滲透系數(shù)整體呈降低趨勢,加載初期壓密作用導(dǎo)致滲透系數(shù)顯著降低,隨后降低幅度明顯減小并趨于穩(wěn)定,且環(huán)向體積變形比軸向更能靈敏地反映滲透系數(shù)的演化規(guī)律;該砂巖滲透系數(shù)始終呈現(xiàn)下降趨勢,且圍壓增加導(dǎo)致滲透系數(shù)降低;滲壓越大,滲透系數(shù)亦越大。

(3)破碎帶砂巖恒定荷載下呈現(xiàn)顯著的衰減和穩(wěn)態(tài)流變;且流變?nèi)讨袧B透系數(shù)存在一定的波動,但整體呈線性降低趨勢;初始瞬時加載階段滲透系數(shù)顯著降低;分級應(yīng)力加載階段,滲透系數(shù)表現(xiàn)為突變增加、降低或不變,主要由巖石自身孔隙特性決定,但高應(yīng)力下均表現(xiàn)為突變降低。穩(wěn)態(tài)流變滲透階段,滲透系數(shù)恢復(fù)至與加載前相同的平緩降低的規(guī)律,瞬時加載引起的突變對滲透系數(shù)的整體演化不存在影響。

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(編輯 沈玉英)

Experimental investigation on permeability evolution of sandstone from fractured zone under coupling action of hydro-mechanical-creep

ZHANG Yu1,2,XU Weiya3,ZHAO Haibin2,WANG Wei3,SHAO Jianfu3
(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Hydropower Development Key Technology,Changsha 410014,China; 3.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The knee-shaped deflection fractured zone located in the dam-foundation of a hydropower station is a main engineering geological problem of the project.The lithology is soft sandstone with poor integrity and pore cementation contact. The permeability properties of sandstone will significantly change under hydro-mechanical-creep coupling and produce a direct impact on the deformation and stability of the dam.Based on the characteristics of loose organizational structure,high moisture content,poor physical and mechanical properties,the permeability measurements of such rock were performed during the process of time-dependent deformation under hydro-mechanical coupling.Firstly,the permeability variation during the process of stress-strain was analyzed,and the effect laws of axial,lateral and volumetric strain on permeability evolution wereobtained.Secondly,the permeability evolution during creeping course was investigated in detail,and the influences of pore pressure and confining pressure were discussed.Finally,the failure characteristics of fluid flow were studied in detail.The results show that permeability decreases rapidly during initial loading and then decreases slowly during further inelastic deformation,and the lateral strain can reflect the evolution of permeability more sensitively than axial strain.In addition,because of the heterogeneity of specimen,the permeability shows some sudden change in relation with the porosity of material during creep deformation,however,the overall trend is decreasing.During the stage of steady creep,the curve decreases linearly.It shows that the fluctuation has not significant effect on permeability evolution.Furthermore,the permeability coefficient decreases with the increase of the confining pressure.

rock mechanics;fractured zone;soft sandstone;hydro-mechanical-creep coupling;permeability evolution;experiment

TU 45

A

1673-5005(2014)04-0154-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.023

2013-10-20

國家自然科學(xué)基金項目(11172090);水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室開放研究基金項目(PKLHD201306);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(13CX02095A);山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(重慶交通大學(xué))開放基金項目(CQSLBF-Y14-4)

張玉(1985-),男,講師,博士,從事巖石力學(xué)與工程研究方面的工作。E-mail:zhangyu@upc.edu.cn。

張玉,徐衛(wèi)亞,趙海斌,等.滲流-應(yīng)力-流變耦合作用下破碎帶砂巖滲透演化規(guī)律試驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014,38(4):154-161.

ZHANG Yu,XU Weiya,ZHAO Haibin,et al.Experimental investigation on permeability evolution of sandstone from fractured zone under coupling action of hydro-mechanical-creep[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):154-161.