王小江，張孟七，李 沖，榮 冠

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北武漢430072)

0 引 言

近年來，隨著水利水電、核廢料儲藏、石油礦山開采等大型工程的建設，工程巖體所處的地質環(huán)境越來越復雜，地下水作為對巖體工程穩(wěn)定性有著重要影響的因素，越來越受到研究人員的重視。巖體節(jié)理裂隙的滲透及變形模量都遠大于巖石基質，巖體節(jié)理面與地下水的相互作用往往直接決定著工程結構的穩(wěn)定與安全。因此，深入了解巖體中節(jié)理面的滲流特性對解決實際工程中的巖體穩(wěn)定性問題十分重要[1-2]。

眾多學者在節(jié)理面的剪切-滲流耦合領域做了大量的試驗及理論研究工作。N.Barton[1]和WF.Bawden[2]從理論上分析了節(jié)理面的剪脹變形及粗糙度對滲透性的影響規(guī)律；Makurat[3]采用自行改進的試驗系統(tǒng)進行的剪切-滲流耦合試驗研究結果表明，當節(jié)理面剪切位移達到1mm左右時，節(jié)理面的滲透性會增大數(shù)倍；T. Esaki[4]采用研制的剪切-滲流耦合試驗儀進行的常法向荷載條件下花崗巖節(jié)理的剪切-滲流耦合試驗研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)理面水力傳導系數(shù)的變化趨勢與剪脹變形類似，在剪切位移的前5 mm階段，節(jié)理面水力傳導系數(shù)提高了1.2～1.6個數(shù)量級，相比剪切前試件的水力傳導系數(shù)，剪切后試件水力傳導系數(shù)增加了1個數(shù)量級；劉才華等[5- 6]采用自行研制的剪切-滲流耦合儀對充填砂裂隙等進行了一系列剪切-滲流耦合試驗，分析了剪切荷載作用下裂隙滲透性變化規(guī)律并提出了考慮剪應力及法向應力耦合作用下的裂隙滲流公式；H.S.Lee和T.F.Cho等[7]采用自制的剪切盒配合使用MTS815試驗機對大理巖和花崗巖節(jié)理進行了剪切-滲流耦合試驗研究；R.Olssona，N.Barton[8]同樣采用自制設備對花崗巖節(jié)理進行了相關剪切-滲流耦合試驗研究，并提出了改進的剪切過程中節(jié)理面的水力耦合模型；蔣玉靜[9]、李博[10]等采用自行研制開發(fā)的數(shù)控剪切-滲流耦合試驗機，進行了一系列剪切-滲流耦合試驗，實現(xiàn)了節(jié)理面剪切過程中常法向剛度邊界條件的控制；夏才初[11]、王剛等[12]進行了巖石節(jié)理剪切-滲流耦合試驗系統(tǒng)的研制，并進行了試驗驗證；KOYAMA T[16]等采用改進的剪切-滲流耦合試驗儀進行了可視化試驗。

因節(jié)理面剪切過程中剪切盒封水的技術難度較大，以上研究存在試驗中施加滲透水壓小，與真實的滲流情況存在偏差等問題。為此，本文采用JAW-1000試驗系統(tǒng)，對4組花崗巖節(jié)理試件進行了常法向荷載和常法向剛度2種條件下的剪切-滲流耦合試驗，研究花崗巖節(jié)理在多次剪切過程中的剪切應力、法向位移及水力開度的變化規(guī)律。

1 JAW-1000型試驗系統(tǒng)介紹

1.1 主要功能

試驗所用儀器為JAW-1000型巖石單節(jié)理剪切-滲流耦合試驗機(見圖1)。該儀器主要用于巖石節(jié)理在不同邊界條件下常規(guī)剪切試驗及剪切過程中的節(jié)理滲透性試驗研究。試驗系統(tǒng)主要采用常法向應力和常法向剛度控制2種邊界條件，可進行2種邊界條件下的節(jié)理常規(guī)(循環(huán))剪切試驗、節(jié)理在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)滲透水壓下的滲流試驗、循環(huán)法向應力-滲流耦合試驗及循環(huán)剪切應力-滲流耦合試驗。同時，還可進行巖石節(jié)理的剪切流變試驗等。

圖1 剪切-滲流耦合試驗系統(tǒng)

1.2 各部分組成

試驗系統(tǒng)整機主要由以下幾部分組成：法向力、切向力加載系統(tǒng)，法向、切向蠕變控制系統(tǒng)，滲透水壓加載系統(tǒng)，密封剪切盒及計算機系統(tǒng)組成。試驗系統(tǒng)結構見圖2。試驗機的各項加載系統(tǒng)均采用閉環(huán)控制和伺服控制。

圖2 試驗系統(tǒng)結構

1.3 剪切盒的封水原理

剪切盒內部尺寸分別為200 mm(水滲透方向)×100 mm(滲透寬度)×100(高度)mm?？紤]到剪切盒分上、下2個部分時，剪切過程中垂直于滲流方向的封水難度較大，故本套試驗系統(tǒng)剪切盒為一整體結構。剪切盒底板、側板及盒體均由鋼板制成，內部由剪切體、密封圈和墊塊組成。進水口上刀體中的進水孔用以向節(jié)理試件剪切面滲水，下刀體中的出水孔用以排出滲入節(jié)理試件剪切面中的水。剪切盒內部的封水系統(tǒng)主要采用進、出水口的橡膠墊塊及剪切盒側板的密封圈實現(xiàn)。進、出水口的橡膠墊塊可以防止進、出水口的水向外滲漏，側向密封圈是為了保持水不從垂直于剪切方向的側面流出。因聚氨脂橡膠具有既軟又硬、摩擦小等特點，墊塊及密封圈材料都采用聚氨酯制成。側板上的密封圈是中空的，試樣裝好后，空腔內注入一定壓力的液壓油。當節(jié)理試件發(fā)生剪切位移時，密封圈接觸面在滑動狀態(tài)下仍保持壓縮密封。剪切盒剖面設計見圖3。剪切盒內部構造見圖4。

圖3 剪切盒剖面設計

圖4 剪切盒內部構造

2 剪切-滲流耦合試驗

2.1 巖石節(jié)理試件制作

試驗所用巖石節(jié)理面為花崗巖試樣人工劈裂形成，花崗巖單軸抗壓強度為165 MPa，孔隙率為0.4%。試樣長200 mm，寬、高均為100 mm，共4個組，編號分別為HJ-1、HJ-2、HJ-3、HJ- 4，見圖5。HJ-1節(jié)理面有2處較大凸起，HJ-2有1處凸起，凸起體相比HJ-1較小，HJ-3和HJ- 4表面沒有明顯大的凸起，只在局部有小的起伏。采用KEYENCE公司生產(chǎn)的巖石節(jié)理表面形狀激光測試儀量測節(jié)理的表面形狀。根據(jù)測定數(shù)據(jù)，4組花崗巖節(jié)理面JRC值分別為19(HJ-1)、14.5(HJ-2)、 7.5(HJ-3)、10(HJ- 4)。節(jié)理試件初始吻合較好，初始接觸比幾乎為1.0。

圖5 花崗巖節(jié)理試件

2.2 試驗步驟

試驗開始前，首先對4組花崗巖節(jié)理面進行粗糙度的測量。測量結束后，將試件裝入剪切盒進行試驗。4組花崗巖節(jié)理面的加載條件見表1。在給定荷載條件下，剪切開始前，先施加側向壓力以保證封水，然后施加滲透水壓力，測量滲透水流量，從而得到初始等效水力開度。剪切過程中，剪切位移進行10 mm，每剪切0.5 mm后暫停剪切，施加滲透水壓進行滲透水流量測量，重復此過程直到試驗結束。對每組花崗巖節(jié)理試件重復上述步驟3次。

表1 加載條件

3 剪切-滲流耦合試驗結果

3.1 力學特性

圖6 常法向荷載條件下HJ-1和HJ-2力學特性

圖6為常法向荷載條件下花崗巖節(jié)理試件HJ-1和HJ-2的3次剪切過程中的力學特性變化曲線。從圖6可知，在試件首次剪切過程中，剪切應力以近似線性的趨勢迅速達到峰值(剪切位移一般不超過1 mm)，而后降低至殘余強度。首次剪切試驗中，花崗巖節(jié)理剪切應力峰值在2.8～5 MPa之間，殘余強度為2.5 MPa左右。隨著剪切次數(shù)的增加，試樣峰值剪切應力與殘余應力降低，剪切應力峰值變得不明顯。在首次剪切試驗中，花崗巖節(jié)理面剪脹開始于剪切應力峰值之前，并且以逐漸降低的增長速率隨著剪切位移的增大持續(xù)增加至某一穩(wěn)定值。隨著剪切次數(shù)的增加，剪脹點延遲，剪脹變形減小，切向位移的增長速率逐漸趨于穩(wěn)定，曲線逐漸趨于平緩。HJ-1比HJ-2的JRC值高，因此其剪應力峰值較高，相應的剪脹位移較大。這種差別在2組試件的首次剪切試驗中比較明顯。

圖7 常法向剛度條件下HJ-3力學特性

圖7、8分別為常法向剛度條件下花崗巖節(jié)理試件HJ-3和HJ- 4的3次剪切試驗過程中的力學特性變化曲線。從圖7、8可知，隨著剪切位移的增大，法向荷載隨之增大，曲線變化規(guī)律與法向位移變化相似。由于隨著剪切位移的增大，法向荷載隨之增大，HJ-3和HJ- 4試件在首次剪切過程中的凸起體磨損會更為嚴重，相比常法向荷載條件，常法向剛度條件下花崗巖節(jié)理的剪切應力及法向位移變化曲線在經(jīng)歷多次剪切試驗后會更快的趨于穩(wěn)定。

圖8 常法向剛度條件下HJ- 4力學特性

圖9 花崗巖試樣剪切位移與水力開度關系

3.2 水力特性

剪切-滲流耦合試驗中，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，采用立方準則反算花崗巖節(jié)理試件在剪切-滲流耦合試驗過程中的等效水力開度，并以此評價花崗巖節(jié)理滲透特性在剪切過程中的變化規(guī)律[13]。即

式中，Q為水的滲流量；g為重力加速度；e為水力開度；v為水的動粘度系數(shù)；w為節(jié)理面寬度；i為量綱為1的單位水力梯度。

4組花崗巖試樣剪切位移與水力開度關系見圖9。從圖9可知，初始階段，隨著剪切位移的增大，節(jié)理面發(fā)生剪脹，水力開度緩慢增加，進而迅速增大；第二階段，隨著剪切位移的增加，水力開度變化曲線變緩，達到殘余水力開度值。初次剪切后，在同1組試件第2次試驗中，由于初次剪切過程中凸起體的磨損，導致節(jié)理面的滲透特性顯著提高，大約提高1個數(shù)量級，剪切位移與水力開度曲線變緩，殘余水力開度會略有降低。試件第3次剪切相比第2次也會有上述變化，但變化值較小，說明節(jié)理面凸起體的磨損主要在首次剪切中發(fā)生。HJ-1水力開度峰值最大，這主要是由于其表面粗糙度的影響，HJ-1表面2處明顯的凸起體對其水力開度值影響較大。

4 結 語

本文采用JAW-1000剪切-滲流耦合試驗系統(tǒng)進行了常法向荷載和常法向剛度2種加載方式下的剪切-滲流耦合試驗，得出以下結論：

(1)首次剪切中的剪切應力以近似線性的趨勢迅速達到峰值，而后降低至殘余強度。節(jié)理面剪脹開始于剪切應力峰值之前，并且以逐漸降低的增長速率隨著剪切位移的增大持續(xù)增加至某一穩(wěn)定值。隨著剪切次數(shù)的增加，試樣峰值剪切應力與殘余應力降低，剪切應力峰值變得不明顯。節(jié)理試樣的剪脹點延遲，剪脹變形減小，切向位移的增長速率逐漸趨于穩(wěn)定，曲線逐漸趨于平緩。

(2)在剪切初始階段，由于節(jié)理面發(fā)生剪脹，水力開度先緩慢增加，進而迅速增大。第二階段，隨著剪切位移的增加，節(jié)理面的水力開度變化曲線變緩，達到殘余水力開度值。初次剪切后，節(jié)理面的滲透特性顯著提高，大約提高1個數(shù)量級，經(jīng)過多次剪切后，節(jié)理面剪切位移與水力開度曲線變緩，殘余水力開度會略有降低。

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