充填裂隙
摘要：
巖體中存在的大量裂隙結構（如斷層，節理），這些裂隙的存在對巖體的滲流性質和力學特性會產生重要影響。一般巖塊本身的滲透系數很小，但是具有裂隙的巖體滲透系數卻很大，這是連通的裂隙構成了良好的透水通道的結果，可以認為是裂隙系統構成了巖體的透水系統。考慮到有無充填物條件下巖體裂隙滲流規律的巨大差異，近年來更多學者開展了在含充填物裂隙滲流方面的試驗研究。圍繞該問題，本文在詳細總結了國內外對裂隙巖石及充填裂隙巖石滲流研究的基礎上，對充填石膏砂漿和水泥砂漿兩種不同水理性質材料巖樣的裂隙滲透規律進行了綜合和深入的試驗測試并提出一種損傷軟化模型。主要研究內容如下：
1）依托中南大學測試中心MTS815.02型試驗儀器，針對完整巖樣與2種不同充填材料的預置裂隙巖樣進行了較為系統的滲流試驗研究。設計并制作含充填物的不同貫通率的裂隙巖石試樣（Φ50×100），研究其在不同裂隙貫通率及不同圍壓時的滲透性、強度特性等的變化規律。
2）相同類型裂隙巖樣隨著圍壓的增加，均引起軸向應力的顯著增加。同時，在相同圍壓情況下，裂隙巖樣隨結構面貫通率的加大，其各自的應力峰值強度變化表現出逐漸降低的趨勢，但這種由于結構面差異造成變化的幅度遠遠小于圍壓變化引起的影響。在充填裂隙巖石的滲透性試驗中，雖然裂隙巖樣較完整
巖樣的峰值強度均有明顯下降，但比較兩種圍壓時，可發現高圍壓情況下的下降幅值普遍較小。由此可見，在充填裂隙巖樣中，圍壓因素的作用遠遠高于結構面貫通率對強度的影響效果。
3）根據結果計算滲透系數得到：充填裂隙巖樣的滲透系數較完整砂巖有顯著的提高；由于所選兩類充填材料的硬化機理不同，在壓力作用下，石膏砂漿充填物質更易發生轉移，從而造成滲流通道的堵塞，使得滲透率下降，在相同條件時，石膏砂漿充填的裂隙巖樣的滲透系數表現為小于水泥砂漿類充填的裂隙巖樣；圍壓加載過程中的試樣內部結構受到壓縮變形，使裂隙及滲流通道變小，導致滲透性的降低，因此隨著圍壓的升高，試件的滲透率降低，說明側圍壓大小是影響試件滲透性變化幅度的決定性因素之一；在其它條件不變的情況下，隨著裂隙貫通率的增加，巖樣的滲透系數也隨之增大，但裂隙通道受充填物的作用使得滲透系數并未出現明顯的倍數規律。
4）對不同試樣滲透性試驗的破壞形式綜合分析，認為滲透壓作用下的三軸壓縮以剪張性破壞為主，并伴隨著沿剪切帶的張開裂紋。破壞形式符合格里菲斯破壞準則，在壓應力作用下，切向拉應力最強的部位位于與主應力方向夾角30-40°；裂隙的端部，破裂首先在這些部位出現，并伴生多條次生拉張裂隙。在孔隙水壓力的作用下，破壞形式由剪切破壞轉化為以次生裂隙的拉裂破壞為主。
5）從巖石微元強度和巖石微元破壞服從Weibull分布的角度出發，引進巖石微元強度隨機分布變量F，推導出巖石在穩定圍壓與水壓作用下受壓破裂的損傷演化方程。在此基礎上，重點探討了基于Weibull
分布的巖石損傷軟化模型參數與圍壓、水壓的關系，并結合模型參數對模型的影響規律以及巖石滲透破裂的特點對其參數進行修正計算。從而建立符合實際的巖石損傷軟化本構模型，提出計算峰值強度的可行性方法。
關鍵詞：巖石、充填裂隙、滲流試驗、損傷軟化、本構模型
分類號：
ABSTRACT
There is a huge amount of cracks existing in natural rock mass. And it is great impact on epage properties and mechanical properties of rock mass. The permeability coefficient of the general rock mass is very small, but the ones with fracture is very large becau of the connected cracks form the good permeable passage. It is considered that the fracture system constitutes the permeable system of rock mass. According to the big difference of epage law about joint rock with or without filling conditions, recently, more scholars have carried out in the filling fracture epage with the experimental study. Bad on a study on the epage of joint rock and filling joint rock at home and abroad, the experimental study on permeability of pre-t sandstone with gypsum mortar filling and cement mortar filling is carried on and one damage softening statistical
constitutive model is advanced. The main rearch contents are as follows:
1) Relying on Central South University test center MTS815.02 type test equipment, a systematic epage test is carried out for the complete rock samples and two kinds of pre-t fractured rock samples with different filling materials. After completing the design and production of fillings with different penetration rate of fractured rock samples, the variation law of permeability and strength of different joint persistence and different confining pressure is studied.
2) With the increa in confining pressure, it caus a significant increa in the axial stress of the same type of fractured rock sample. In the ca of the same confining pressure, the trend of the peak stress intensity decreas gradually becau of increasing with the structural plane penetration rate of fractured rock samples. The magnitude of the change due to structural differences is much less than the effect of confining pressure changes. In the permeability test of the fractured rock, although the peak strength of fractured rock samples is obviously decread, it is found that the decrea in the ca of high confining pressure is generally small when comparing two confining pressures. This shows the effect of confining pressure is much higher than that of structural plane penetration in the filling of fractured rock samples.
3) The results of calculating the permeability coefficient: The permeability coefficient of the fractured rock specimen is significantly improved. Becau the hardening mechanism of the two types of filling materials is different, gypsum mortar filling material is more prone to transfer under pressure, it caus clogging of the epage channel so that the permeability decreas. The permeability coefficient of fractured rock samples filled with gypsum mortar is less than that of cement mortar in the same condition. The internal structure of the specimen during compression loading is compresd and deformed, so that the joints and epage channels become smaller and the permeability is reduced. Therefore, as the confining pressure increas, the permeability of the specimen decreas. This indicates that the side confining pressure is one of the decisive factors that affect the variation of the permeability of the specimen. With the increa of fissure penetration rate, the permeability coefficient of rock samples also increas in the ca of other conditions remain unchanged. But the action of the fracture channel by the filling does not make the apparent variation of the permeability coefficient.
4) Through a comprehensive analysis of the failure of different sample permeability test, it is found that the triaxial compression under osmotic pressure is mainly caud by shearing failure and is accompanied by the opening crack along the shear zone. The form of destruction conforms to the Gr
iffith Destruction Criteria. The strongest part of the tangential tensile stress is located at the end of the 30-40 ° fracture in the direction of the principal stress. Rupture first appeared in the parts, and associated with a number of condary tensile fracture. The failure form is transformed from shear failure to a crack caud by cracks in the primary cracks under the action of pore water pressure.
5) From the point of view of rock micro-element strength and rock micro-element failure obey Weibull’s distribution, the random variation of rock micro - intensity F is introduced. And the damage evolution equation of rock under confining pressure and water pressure is deduced. The relationship between rock damage softening model parameters bad on Weibull’s distribution and confining pressure and water pressure is mainly discusd. Combined with the influence of model parameters on the model and the characteristics of rock damage, the study calculates and corrects its parameters. A feasible constitutive model of rock damage softening is established, and a feasible method for calculating peak intensity is propod.
KEY WORDS：Rock, Filling Joints, Seepage Test, Damage Softening, Constitutive Model
第一章緒論
1.1研究背景與意義
隨著國民經濟的快速發展，大量基礎設施(包括交通、能源、工業與民用建筑等)相繼立項建設，隨之而來的深層地下水資源對該類工程的安全和穩定性的影響也越來越突出。越來越多的工程實踐表明，由于工程體在修筑和使用過程中導致的裂隙巖體所處復雜地質環境的產生變化，使得裂隙巖體產生了不適應這種變化的效應，進而不可避免地以不同程度的地質災害(如巖體失穩、涌水及巖爆等)的形式表現出來。如，1959年12月法國66.5m高的馬爾帕塞(Malpast)拱壩在初次蓄水過程中全壩潰決；1963年9月意大利瓦依昂拱壩的庫內水位上升到700m高程時，左岸距大壩1.8km處，發生約的大型滑坡；1954年12月5日唐山林西礦四水平奧灰水通過斷層突水進入礦井，最大涌水量達；唐山范各莊礦1984年6月2日，發生了世界罕見的礦井大突水，是奧陶系灰巖中地下水沿陷落柱導入礦井，其涌水量達，11個小時一、二水平礦井全淹。
后來許多學者對馬爾帕塞大壩的失事原因進行了詳細的分析。Bellier[1](Bellier，J．，1976)認為，Malpast大壩壩肩巖體的結構面走向與拱壩推力方向平行，在壩肩巖體中形成高的壓應力區，引起壩肩巖體結構面閉合，巖體的滲透系數相對初始值大約減小了100倍，導致巖體滲流受阻，而使得等于水庫中全水頭的壓力作用于該巖體之上，造成大壩壩肩巖體沿下游斷層滑移而失穩(圖1-1a)。Wittke[2]認為，壩前水位升高，作用于壩面的水壓力增大，使大壩壩踵附近巖體受拉，傾向下游的巖體結構面在拉應力作用下被拉裂，形成張裂縫，庫區蓄水后，庫水沿張開裂縫滲透，由于下游隔水斷層封堵了滲透通道，致使張開裂縫中產生等于水庫全水頭的壓力，使壩肩巖體失穩(圖1-1b)。
圖1-1 馬爾帕塞大壩失穩機理
盡管這兩種分析馬爾帕塞大壩失穩機理不同，但分析結果都認為，馬爾帕塞大壩失事是由于巖體的滲透壓力作用引起的巖體變形，導致大壩破壞。
意大利瓦依昂大壩上游庫區大滑坡，也是由于庫水位上升，引起巖體中地下水位抬升，增加了巖體的浮托力而引起的一種滲透變形和破壞。由于該水庫兩岸巖體滲透性良好，庫水位上升迅速引起地下水水位上升，滯后時間短。因而，當庫水位上升到700m時，在庫岸邊坡坡腳處產生極大的揚壓力，正應力減小，抵抗滑坡的摩擦阻力減小，而引起滑坡。
在礦區開采過程中，有不少巖體的變形與巖體內地下水滲透壓力有關。常存在礦山采動應力、地應力和地下水滲透力相互影響、相互作用的巖體水力學問題。如煤礦井中底鼓突水．就是在開采過程中巖體變形引起巖體滲透性的改變，使巖體內或下部巖體內地下水沿連通的節理裂隙運動，增強了對巖體的滲透壓力，引起巖體物理力學性質的變化，而導致礦井突水。地下水滲流以滲透壓力作用于巖體，影響巖體中應力場的分布，同時巖體應力場使孔隙、裂隙產生變形，影響巖體的滲透性能，這種相互影響作用稱之為滲流&mdash；應力耦合，簡稱流固耦合。流固耦合研究的焦點在于固體介質和流體間的力學耦合基本規律。耦合現象和耦合問題越來越受到許多領域的學者和專家的重視，耦合理論從本世紀50年代國外水庫誘發地震分析而萌芽，70年代被正式提出，直至80年代以來得到完善和發展[3]。隨著人類工程活動范圍的擴展和規模的擴大，對這一理論研究的需求顯得尤為緊迫。
人類為了生存和發展而開展的人類工程，無論是水電工程，還是礦井開采工程，都存在人類工程干擾力、巖體地應力和地下水滲透力之間相互影響、相互作用和耦合作用問題。在地質環境內，巖體與地下水的相互作用，影響和改善著地質環境的狀態。在人類工程活動中，一方面由于工程的開挖，工程荷載施加于巖體之上，改變巖體內部應力場的分布，從而影響巖體的結構，引起巖體中地下水性質及地下水力學特性的改變；另一方面，由于工程巖體的出現，改變了區域性或局部地下水的補給、徑流和排泄條件，形成人工干擾下的地下水滲流場，進而地下水對巖體的力學作用的強度、作用范圍以及作用的形式亦發生改變，最終影響裂隙巖體的穩定性。據統計[4]，90％以上的巖質邊坡破壞與地下水滲透力作用有關；60％礦井事故與地下水作用有關；30％-40％的水電工程大壩失事是由滲流作用引起的。因而，研究人類工程作用力、巖體地應力及地下水滲透力的相互作用關系及耦合關系，是巖體水力學的重要任務，也是一項具有理論研究和實際工程應用前景的重大課題。
1.2國內外研究現狀
C. Louis[5]提出了巖石水力學的概念，將地下巖體劃分為完整巖石和裂隙2 個部分。完整
