卸荷渗流试验结果分析与评估

随着岩石卸荷,岩石中的裂隙也将随之发生变化。根据Darcy定律(达西定律),水在岩体中的渗流主要是在岩石裂隙的小通道中流动,因此通过试验可以得到不同阶段的有效卸荷量(简称卸荷量)与渗流系数比值之间的关系。

当孔隙水压力保持不变时,即第一种情况,随着有效卸荷量的增加,其渗透系数比值也将发生较大的变化,图4.6、4.7、4.8分别是在孔隙水压力为100、200、300 kPa时,其渗透系数比值与有效卸荷量之间的关系曲线。

图4.6 渗透系数比值与有效卸荷量之间的关系

从图中可以看出,随着有效卸荷量的增加,渗透系数在初期有着较小的增加,但是在有效卸荷量超过80%以后,渗透系数有较快的增加速度。

渗透系数随着卸荷量的增加而不断增加,在卸荷初期,渗透系数变化较不敏感,渗透系数变化较小;当有效卸荷量超过80%以后,渗透系数有较大变化,这说明岩体中诱发的微裂纹已逐渐扩展连通,形成渗流通道。以上渗透系数比值与有效卸荷量之间的关系曲线说明了渗透系数与有效卸荷量之间的关系,在孔隙水压力较低时(见图4.6),可以看到,渗透系数与有效卸荷量之间成正比关系;同时结合图4.7和图4.8,可以看到,随着孔隙水压力的增加,在卸荷量较大的情况下,渗透系数增加的梯度较大。表4.1为不同孔隙水压力下有效卸荷量与渗透系数比值的试验结果。

图4.7 渗透系数比值与有效卸荷量之间的关系

图4.8 渗透系数比值与有效卸荷量之间的关系

表4.1 不同孔隙水压力下有效卸荷量与渗透系数比值的试验结果

续表

因此,对于渗透系数与卸荷量之间的关系可以表述如下:

(1)随着卸荷的发展,渗透系数的最高值与最低值之间相差较大,约10倍;

(2)渗透系数在卸荷量达到80%左右时,渗透系数曲线出现一个拐点,从该点开始,渗透系数对应力的变化更为敏感,较小的卸荷量变化,将引起渗透系数有较大的变化。

对于第二种情况,即卸荷量一定的情况下,本书探讨了孔隙水压力变化对于渗透系数的影响。图4.9、4.10分别为卸荷量保持一定的情况下的渗流曲线。(www.xing528.com)

图4.9 卸荷量为25%时的渗流曲线

对比图4.9和图4.10中可以看出,当卸荷量不同时,孔隙水压力的增加对于渗透系数的变化有一定的影响。

图4.10 卸荷量为37.5%时的渗流曲线

当卸荷量保持不变时,随着孔隙水压力的增加,岩石的渗透系数也相应增加。在较高卸荷量的情况下,随着孔隙水压力的增加,其渗透系数增加较快。表4.2为卸荷量一定时渗透系数随孔隙水压力变化的试验结果。

从表4.2可以看到,对于不同的卸荷量,孔隙水压力对于渗透系数的影响也不同。当卸荷量为37.5%时,其渗透系数的变化量比卸荷量为25%时增加将近10倍。这说明卸荷量的大小对于渗透系数的变化影响较大,卸荷量越大,其渗透系数增加得越快。

表4.2 卸荷量一定时渗透系数随孔隙水压力变化的试验结果

图4.11为不同卸荷量时,孔隙水压力加荷、卸荷循环过程中渗透系数的变化。从图中可以看到,随着孔隙水压力的增加,岩石渗透系数开始增加,但是当孔隙水压力卸荷时,岩石的渗透系数并没有沿着原来的路径下降,形成了一个渗透系数组成的迟滞回路。孔隙水压力卸荷过程中的渗透系数比加荷时的渗透系数要低,这说明由于孔隙水压力的变化而导致的有效应力的变化对于岩石的渗透性形成了一定影响。对于岩石中的某点来说,孔隙水压力的加荷、卸荷循环过程中,导致岩石所受的有效应力循环变化,导致了裂隙的最终裂隙隙宽要小于原始隙宽,对岩石造成不能恢复的影响,从而导致孔隙水压力在卸荷后,岩石的渗透系数无法恢复到孔隙水压力没有变化前的状态。图4.12为孔隙水压力不变,卸荷渗流试验后的试件;图4.13为卸荷量不变,孔隙水压力循环加荷、卸荷试验后的试件。

图4.11 不同卸荷量时,孔隙水压力循环加荷、卸荷循环过程中渗透系数的变化

(a)卸荷量为25%;(b)卸荷量为39.5%

图4.12 孔隙水压力不变,卸荷渗流试验后的试件

图4.13 卸荷量不变,孔隙水压力循环加荷、卸荷试验后的试件

从图4.12中可以看出,试件卸荷渗流后,在试件表面形成一个与上、下端面相交,成一个大角度的裂隙,这种大角度裂隙面的形成,对岩石卸荷中的渗流有较大的影响。而孔隙水压力的存在,将会与卸荷过程一起作用,加速了裂隙的发展。