岩体卸荷后的渗流问题分析

大量的研究成果表明,在加荷和卸荷条件下,完整岩石渗流特性差别不大。但岩体工程的力学特征与完整岩石具有本质的区别,岩体赋存各类裂隙,对应力场的变化较为敏感。隙宽的变化会对渗流场产生较大的影响,所以应力的轻微变化对于岩体的渗流场都有较大的影响。特别是卸荷岩土工程,由于其力学特性与加荷岩土工程有所不同,故对于卸荷岩土工程的设计、施工也有不同的要求。

目前,对于岩体裂隙渗流的试验研究以加荷过程为主。即使研究隧道开挖过程中渗透系数的变化,实验室对岩石试样的渗流研究也采用加荷过程。裂隙渗流与有效应力有较大的关系,如图1.3所示。从图中可以看出,在加荷与卸荷过程中裂隙的渗流特性不同,展示了一种显著的滞后现象。这种现象不仅在花岗岩裂隙中可以观察到,而且在沉积岩裂隙中也可见到。其中,在高应力时其流量基本保持恒定;在卸荷过程中,随着应力的降低,其渗透系数回升缓慢,但在低应力阶段回升较快。在相同低应力时,加荷与卸荷时渗流量不同,说明了卸荷时岩体的渗流特性与加荷时存在差异。

图1.3 应力与渗流量之间的关系

岩体裂隙渗流与应力关系的研究以高应力时的渗流为主。从图1.3可以看出,在低应力时,渗流量对有效应力的变化较为敏感,与高应力时相比,要高1个数量级。目前,对低应力(如小于1 MPa)阶段裂隙渗流的研究还比较少,特别是对低应力时卸荷渗流的研究更少。

由于岩体工程的力学状态对于岩体的渗流具有很大的影响,所以正确地确定岩体力学状态,从而采用不同的应力场与渗流场耦合分析模型,对于正确评价工程的稳定性具有重要意义。(www.xing528.com)

自哈秋舲教授提出了卸荷力学的概念以来,对于渗流与卸荷力学的相互耦合作用的分析还处于起始阶段。大量的试验证明,在加荷和卸荷的条件下,岩体的渗流特性与法向应力的关系不完全一样。

陈洪凯(1996)对于岩体卸荷与岩体渗流的影响进行了初步的探讨,对于岩体渗透系数随埋深的变化进行了研究,认为渗透系数与埋深成高度正相关;同时,在对三峡船闸开挖卸荷研究的基础上,认为人工开挖卸荷对边坡岩体渗透性具有重要影响;最后通过实地观测,认为在岩体的排水工程中,应根据岩体的节理分布,采用不同形式的排水孔,这样才能起到排水优化的作用。许光祥(2001)对于裂隙岩体渗流与卸荷力学的相互作用及裂隙排水进行了研究,通过对裂隙岩体渗流与卸荷力学相互作用的分析,提出了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,岩体在卸荷过程中,其渗透系数回升的速度明显缓于岩体加载过程中渗透系数降低的速度,如图1.4所示,认为边坡工程宜采用卸荷岩体力学(卸荷岩体力学考虑了岩体质量迅速劣化、抗拉强度极度敏感、高度的非线性等重要特性,不能把卸荷简单地当作加荷的逆过程)进行研究。

图1.4 裂隙渗透系数随卸荷应变的变化

综上所述,实际工程中岩体卸荷对于岩体渗透性的影响机理是十分复杂的。初始地应力场、岩体卸荷力学强度、岩体质量劣化,以及裂隙岩体入水后的化学场等,均会对岩体渗透性有较大的影响。

同时,试验及理论研究中,采用加荷方法研究的较多,而用卸荷方法研究的较少。尤其是在卸荷条件下,对岩体裂隙应力与渗流关系的研究则更少。