圍壓和滲透壓作用下塔木素深部黏土巖滲透及強度特性試驗研究

胡清波，梁海安,2，楊 婷，劉曉東，王 瑜，張龍鵬

(1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013)

1 研究背景

近年來，多物理場作用下巖石力學(xué)特性已成為地下工程領(lǐng)域研究的熱點。對于滲流場和應(yīng)力場共同作用下巖石破壞及滲透性變化規(guī)律，已有學(xué)者進行了研究，并取得了豐富的成果[1-3]。在高放射性廢物深地質(zhì)處置中，巷道圍巖多處于復(fù)雜應(yīng)力場和滲流場中，二者相互作用導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生擾動和破壞，圍巖滲透性和強度將發(fā)生改變。塔木素黏土巖是我國高放射性廢物處置庫預(yù)選圍巖之一，在滲流-應(yīng)力作用下其滲透特性及強度特性研究是處置庫場址評價中的關(guān)鍵，對黏土巖處置庫的設(shè)計開挖具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者對黏土巖的滲流-應(yīng)力耦合特性展開了研究。賈善坡等[4-5]結(jié)合比利時Boom黏土巖室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，建立了滲透性演化數(shù)學(xué)模型，并對巷道圍巖滲透參數(shù)進行了反演；于洪丹等[6-7]對Boom黏土巖進行了大量室內(nèi)試驗，研究了Boom黏土巖的滲流-應(yīng)力耦合及流變等力學(xué)特性，建立了表征Boom黏土巖力學(xué)行為的數(shù)學(xué)模型；Bésuelle等[8]分析了Boom黏土巖在不同受力狀態(tài)下的滲透率變化，指出滲透率的大小與平均有效應(yīng)力相關(guān)，應(yīng)力從1 MPa升至32 MPa，黏土巖滲透率下降近2個數(shù)量級；Ma等[9]分析了Boom黏土巖在圍壓加卸載等不同受荷條件下滲透率的演化；Guillon等[10]對非飽和狀態(tài)下法國Callovo-Oxfordian黏土巖滲流-應(yīng)力耦合特性及力學(xué)各向異性等進行了研究，提出了多孔介質(zhì)耦合彈性模型非線性方程；Seyedi等[11]對開挖過程Callovo-Oxfordian黏土巖滲流-應(yīng)力耦合特性進行了數(shù)值模擬；Zhang[12]對Callovo-Oxfordian黏土巖進行了靜水壓力下加卸載試驗和破壞過程中滲透率演化試驗，研究了不同受力狀態(tài)下黏土巖的滲透特性；Crisci等[13]對瑞士Oplinus黏土巖的滲透各向異性進行了分析，指出其滲透系數(shù)約為10-11～10-14m/s，且與層理相平行的方向滲透系數(shù)更大；Marschall等[14]進行了大量的Oplinus黏土巖原位試驗，研究了EDZ(excavation damage zone)滲流-應(yīng)力耦合特性，并提出Oplinus黏土巖損傷等多物理場耦合過程的雙曲線閉合關(guān)系。國內(nèi)高放射性廢物處置庫的研究起步較晚，早期研究主要集中于花崗巖。近年來，對黏土巖滲流-應(yīng)力耦合特性的研究也取得了一些成果。車申等[15]通過甘肅隴東黏土巖物理力學(xué)試驗，得到了黏土巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)，并對滲透裝置進行了改進，從而測得隴東黏土巖滲透系數(shù)；胡海洋[16]對塔木素黏土巖的力學(xué)特性及滲透性進行了試驗研究，初步評價了該黏土巖作為高放射性廢物處置庫圍巖的可行性；趙守勇[17]對黏土巖進行了溫度-滲流-應(yīng)力耦合試驗，研究了黏土巖三場耦合特性及數(shù)學(xué)模型。

本文通過內(nèi)蒙古塔木素黏土巖圍壓加卸載下滲透率演化試驗和不同圍壓、滲透壓下全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗，分析其滲透和強度特性。綜合考慮圍壓和滲透壓對黏土巖強度的影響，引入圍壓強化系數(shù)和滲透壓弱化系數(shù)，提出一種考慮圍壓和滲透壓共同作用的黏土巖強度準(zhǔn)則，克服了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強度準(zhǔn)則僅考慮圍壓變化的局限。

2 塔木素深部黏土巖滲透及強度特性試驗

2.1 圍壓加卸載下塔木素黏土巖滲透率演化試驗

處置硐室的開挖及支護中，圍巖會出現(xiàn)加卸荷的情況，由于圍巖的擾動，該過程圍巖滲透率會發(fā)生較大變化。因此，對黏土圍巖進行強度范圍內(nèi)圍壓加卸載下的滲透率演化試驗具有非常重要的意義。

為研究塔木素黏土巖強度范圍內(nèi)圍壓加卸載下的滲透率演化規(guī)律，采用如圖1(a)所示的巖石滲透分析儀進行試驗。采用如圖1(b)所示的平行于層理和垂直于層理方向的黏土巖樣進行試驗，巖樣取自塔木素深鉆孔500、600、700 m 3個目標(biāo)層位，試樣情況見表1。試驗進行了7個圍壓加載和卸載特征點的監(jiān)測，分別為5、8、10、15、20、25、30 MPa，圍壓先從5 MPa升至30 MPa，再從30 MPa降至5 MPa，過程中按圍壓設(shè)定點依次監(jiān)測滲透率的變化。

圖1 巖石滲透分析儀及飽和后黏土巖樣Fig.1 Rock permeability analyzer and saturated clay rock samples

表1 圍壓加卸載下滲透率演化試驗巖樣Table 1 Rock samples for permeability evolution test under confining pressure’s loading and unloading conditions

加卸載試驗過程中，黏土巖滲透率隨圍壓的變化如圖2所示。從圖2可知，強度范圍內(nèi)，圍壓增加，黏土巖滲透率減小，卸載過程滲透率逐漸增大，但回升值與初始值不同。由于圍壓加卸載，巖樣發(fā)生損傷，出現(xiàn)不可逆的塑性變形，試驗完成后滲透率不能恢復(fù)到原始值；在圍壓加載初期,滲透率減小速率大，圍壓達到10 MPa后，滲透率減小速率變緩，趨于穩(wěn)定。加載前期滲透率減小速率快是由于試樣處于孔隙裂隙壓密過程，滲流通道快速減小。而圍壓達到10 MPa后，巖樣內(nèi)部密實度增大，可壓縮孔隙較少，滲流通道變化不明顯，加載后期滲透率減小緩慢。

圖2 圍壓加卸載過程滲透率隨圍壓的變化Fig.2 Variation of permeability with confining pressure during loading and unloading

圍壓加卸載中，塔木素深部黏土巖的滲透率均處于10-20m2的數(shù)量級，平行于層理方向滲透率更高。比較不同深度黏土巖滲透率可知，隨深度增加，黏土巖致密程度增大，滲流通道變小，滲透率降低。分別對圍壓加載和卸載過程的滲透率-圍壓關(guān)系進行擬合，如圖3和圖4所示。通過對比不同函數(shù)下二者關(guān)系的擬合精確度可知:在加載過程二者關(guān)系滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在卸載過程滿足冪函數(shù)關(guān)系。

圖3 圍壓加載過程滲透率-圍壓指數(shù)函數(shù)擬合曲線Fig.3 Exponential function fitting curves of the relationship between permeability and confining pressure in loading stage

圖4 圍壓卸載過程滲透率-圍壓冪函數(shù)擬合曲線Fig.4 Power function fitting curves of the relationship between permeability and confining pressure in unloading stage

2.2 不同圍壓和滲透壓下塔木素黏土巖全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗

為研究黏土巖破壞過程中應(yīng)力-應(yīng)變及滲透率-應(yīng)變關(guān)系，對塔木素黏土巖進行全應(yīng)力-應(yīng)變過程的滲透率試驗。試驗儀器采用TAW-2000微機控制伺服巖石三軸試驗機，巖樣采用尺寸為Φ50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，加載方式為位移控制加載，加載速率控制為0.005 mm/min，圍壓分別設(shè)置為5、10、15 MPa，滲透壓分別為0、2、5、8 MPa，試驗時圍壓與滲透壓加載達到設(shè)計值，過程中保證圍壓始終大于滲透壓，以防熱縮管因滲透壓施加過大而脹壞。試驗結(jié)束運用達西定律計算巖石滲透率，試驗結(jié)果如表2所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線及滲透率-應(yīng)變曲線如圖5所示。

表2 塔木素黏土巖全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗結(jié)果Table 2 Permeability test results of Tamusu clay in complete stress-strain process

圖5 不同圍壓和滲透壓下應(yīng)力-應(yīng)變與滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves and permeability-strain curves under different confining and osmotic pressures

由圖5可知，與大多數(shù)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率演化過程相比，塔木素黏土巖全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗結(jié)果具有相同的規(guī)律：①應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值后段黏土巖的滲透率普遍大于峰值前段，滲透率的較大值位于曲線峰后軟化階段，而較小值則對應(yīng)彈性階段；②黏土巖滲透率在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值后段存在突然增大的“突跳”現(xiàn)象，在突跳前滲透率水平較低，而在突跳時曲線斜率增大，此時的滲透率劇增到最大值，或接近最大值；③黏土巖的滲透率與應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，峰值前巖石未發(fā)生明顯破壞，滲透率將保持在較低水平，而一旦進入峰后破壞階段，滲透率將遠大于彈性階段。

全應(yīng)力-應(yīng)變過程中，黏土巖滲透率處于10-20m2數(shù)量級，與圍壓加卸載試驗結(jié)果一致。在滲透壓相同時，隨圍壓增加，峰值強度增大，滲透率呈降低趨勢。隨著圍壓的升高，黏土巖受到的側(cè)限增大，巖石內(nèi)部缺陷的擴展受到抑制，其承載能力增大；同時黏土巖的原生孔隙會在加載初期逐漸壓密閉合，其內(nèi)部流體能通過的通道減小，此時黏土巖滲透率會降低，直至出現(xiàn)塑性變形，其滲透率會增大，并在巖樣破壞的瞬間出現(xiàn)劇增的突變現(xiàn)象。當(dāng)圍壓相同時，隨滲透壓的增大，峰值強度減小，滲透率出現(xiàn)增加的趨勢。該過程滲透壓的增大導(dǎo)致巖石損傷進程加快，滲透壓的存在可以降低起裂應(yīng)力，在同樣變形情況下巖石損傷破壞提前，此時峰值強度減小，滲透率增大。

在圍壓分別為5、10、15 MPa條件下，滲透壓從2 MPa增至8 MPa，巖石的峰值強度平均減小了15.24%；在滲透壓分別為2、5、8 MPa條件下，圍壓從5 MPa到15 MPa，圍壓每增大5 MPa，巖石的峰值強度平均增大了41.19%；在圍壓相同的條件下，滲透壓增大6 MPa，峰值強度平均降低15.24%；在滲透壓相同的條件下，圍壓增大5 MPa，峰值強度平均增大41.19%。從上述可以看出，圍壓這一因素在黏土巖峰值強度變化中占主導(dǎo)，滲透壓對強度的影響相對較小。

巖石變形初期，滲透率主要受軸向應(yīng)力的影響，巖樣原生缺陷被壓密閉合，因此初始滲透率有降低的趨勢，處于較低水平。隨著軸向壓力的持續(xù)增大，巖樣內(nèi)部的原生裂隙開始發(fā)生擴展，伴隨新裂紋的出現(xiàn)并逐漸貫通，此時滲透率上升，直至上升到滲透率極值，該過程存在一個滲透率激增的突變點。滲透率峰值通常滯后于軸向應(yīng)力峰值。由于巖樣在達到強度極限時瞬間破壞，無法測出峰后階段巖石滲透率的變化情況。

2.3 國內(nèi)外處置庫黏土圍巖強度及滲透性對比

與國外相比，國內(nèi)高放射性廢物處置庫黏土圍巖研究起步較晚，將塔木素黏土巖與國外黏土巖強度特性與滲透性進行對比，如表3所示。

表3 塔木素黏土巖與國外黏土巖強度及滲透性對比Table 3 Comparison of strength and permeability between Tamusu clay and foreign clays

表3中，塔木素黏土巖與法國黏土巖試樣深度均為500 m左右，其強度與滲透性較為一致；瑞士黏土巖與比利時黏土巖埋深較小；比利時地下實驗室埋深最小，為223 m，因此其強度最小，致密程度低，滲透性大于其他國家處置庫黏土圍巖。塔木素黏土巖滲透率水平處于約10-20m2數(shù)量級，與法國和瑞士黏土巖液測滲透率較為一致，與比利時黏土巖相比小一個數(shù)量級。比利時黏土巖的孔隙度約為36.5%，孔隙度較高，即滲流通道更多，因此滲透率也相對更高。塔木素黏土巖以納米孔喉和微毛細管孔喉為主，經(jīng)測量孔隙度為0.4%～19.0%，屬極致密巖，因此滲透率也比較低。低滲透率能夠有效組織核素的遷移，因此塔木素黏土巖較好地滿足了高放射性廢物地質(zhì)處置要求地下介質(zhì)滲透性低的這一關(guān)鍵條件。

3 塔木素黏土巖圍壓和滲透壓作用下的強度特性分析

3.1 圍壓對黏土巖強度的影響

由表2和圖5可知，滲透壓一定時，圍壓越大，塔木素黏土巖的強度越大。因此，為反映圍壓對黏土巖強度的影響，定義圍壓強化系數(shù)λ為

(1)

式中：σm為滲透壓為0時，圍壓σ3對應(yīng)的峰值強度；σc為單軸抗壓強度。

3.2 滲透壓對黏土巖強度的影響

當(dāng)圍壓一定時，隨著滲透壓的增大，黏土巖強度降低。因此，為反映滲透壓的施加對黏土巖強度的影響，定義滲透壓弱化系數(shù)η為

(2)

式中σw為圍壓為0、施加滲透壓ΔP時所對應(yīng)的峰值應(yīng)力。

結(jié)合表2的試驗結(jié)果，通過式(1)和式(2)進行計算，可以得到黏土巖圍壓強化系數(shù)和滲透壓弱化系數(shù)，如表4所示。從影響系數(shù)的計算結(jié)果和圖6可以看出，在上述試驗條件下，圍壓對塔木素黏土巖強度影響起主導(dǎo)作用，圍壓強化系數(shù)大于滲透壓弱化系數(shù)，因此影響系數(shù)在一定程度上可以反映圍壓和滲透壓對黏土巖強度的影響。

表4 圍壓強化系數(shù)與滲透壓弱化系數(shù)計算結(jié)果Table 4 Calculation results of enhancement coefficient λ and weakening coefficient η

4 考慮圍壓和滲透壓共同作用的塔木素黏土巖強度準(zhǔn)則

基于前文進行圍壓和滲透壓共同作用下的塔木素黏土巖的全應(yīng)力-應(yīng)變試驗結(jié)果，運用幾種常用的強度準(zhǔn)則對試驗結(jié)果進行擬合分析，探討滲透壓作用下各強度準(zhǔn)則的適用性。采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則進行擬合的結(jié)果如圖6(b)所示，采用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則對試驗結(jié)果進行擬合的結(jié)果如圖7所示。

圖6 黏土巖強度與滲透壓、圍壓的關(guān)系Fig.6 Relations of strength against osmotic pressure and confining pressure of clay rock under different osmotic pressures

圖7 Hoek-Brown強度準(zhǔn)則擬合結(jié)果Fig.7 Fitting results with Hoek-Brown strength criterion

從圖6(b)、圖7可以看出，Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則能較好地反映在不同滲透壓條件下，塔木素黏土巖強度隨圍壓的變化，而Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的擬合結(jié)果和試驗結(jié)果的吻合度與Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則擬合結(jié)果相比較低。此外，2種強度準(zhǔn)則均只能反映單一條件下黏土巖強度的變化，無法反映圍壓與滲透壓2個影響因素共同作用時，其變化對黏土巖強度的影響。因此，為克服這一局限，本文考慮圍壓和滲透壓的共同影響，建立黏土巖的強度準(zhǔn)則，以達到表征塔木素黏土巖在圍壓和滲透壓共同作用下的強度特性。

引入前文定義的圍壓強化系數(shù)λ和滲透壓弱化系數(shù)η，聯(lián)合Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，對塔木素黏土巖強度準(zhǔn)則進行重新定義，即

(3)

采用式(3)對圖8中的試驗數(shù)據(jù)繪制的三維曲面進行擬合，如圖9所示，擬合函數(shù)為：σ1=5.35σ3-1.85ΔP+34.58，擬合精度R2=0.99。

圖8 圍壓和滲透壓作用下塔木素黏土巖強度試驗結(jié)果Fig.8 Strength test results of Tamusu clay rock under confining pressure and osmotic pressure

圖9 考慮圍壓和滲透壓共同作用的強度準(zhǔn)則擬合結(jié)果Fig.9 Fitting result by the strength criterion considering both confining pressure and osmotic pressure

對比圖8和圖9可知，本文通過引入圍壓強化系數(shù)和滲透壓弱化系數(shù)定義的考慮圍壓和滲透壓共同作用的強度準(zhǔn)則式(3)能很好地表征塔木素黏土巖的強度特性，與Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強度準(zhǔn)則相比，可同時反映出塔木素黏土巖在地下深部應(yīng)力場和滲流場共同作用環(huán)境中的真實力學(xué)響應(yīng)，克服了僅考慮單因素的局限。

5 結(jié) 論

本文對塔木素黏土巖進行了不同圍壓加卸載下滲透率演化試驗和不同圍壓、滲透壓下全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗，對其滲透和強度特性進行了分析?？紤]圍壓和滲透壓對黏土巖強度的共同影響，引入圍壓強化系數(shù)和滲透壓弱化系數(shù)定量反映圍壓和滲透壓對黏土巖強度的影響，并結(jié)合不同強度準(zhǔn)則在表征黏土巖強度特性中的適用性對比，提出一種考慮圍壓和滲透壓共同作用的黏土巖強度準(zhǔn)則，得到以下結(jié)論：

(1)塔木素深部黏土巖的滲透率均處于10-20m2的數(shù)量級，平行于層理方向滲透率更高；在加載過程，塔木素黏土巖滲透率與圍壓的關(guān)系滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，在卸載過程滿足冪函數(shù)關(guān)系。

(2)全應(yīng)力-應(yīng)變過程中，相同滲透壓時，圍壓越大，塔木素黏土巖強度越大，滲透率越?。幌嗤瑖鷫簳r，滲透壓越大，塔木素黏土巖強度越小，滲透率越大。黏土巖圍壓強化系數(shù)大于滲透壓弱化系數(shù)，一定程度上反映了圍壓與滲透壓共同作用時，圍壓對黏土巖強度的影響占主導(dǎo)作用。

(3)考慮圍壓和滲透壓共同作用的強度準(zhǔn)則能更為準(zhǔn)確地反映高放射性廢物處置庫塔木素黏土圍巖的力學(xué)強度特性，克服了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強度準(zhǔn)則僅考慮圍壓變化的局限。