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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(diǎn)。對(duì)于滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下巖石破壞及滲透性變化規(guī)律，已有學(xué)者進(jìn)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(chǎng)和滲流場(chǎng)中，二者相互作用導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞，圍巖滲透性和強(qiáng)度將發(fā)生改變。塔木素黏土巖是我國(guó)高放射性廢物處置庫(kù)預(yù)選圍巖之一，在滲流-應(yīng)力作用下其滲透特性及強(qiáng)度特性研究是處置庫(kù)場(chǎng)址評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵，對(duì)黏土巖處置庫(kù)的設(shè)計(jì)開挖具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)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(shí)Boom黏土巖室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立了滲透性演化數(shù)學(xué)模型，并對(duì)巷道圍巖滲透參數(shù)進(jìn)行了反演；于洪丹等[6-7]對(duì)Boom黏土巖進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，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(gè)數(shù)量級(jí)；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(duì)非飽和狀態(tài)下法國(guó)Callovo-Oxfordian黏土巖滲流-應(yīng)力耦合特性及力學(xué)各向異性等進(jìn)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(duì)開挖過程Callovo-Oxfordian黏土巖滲流-應(yīng)力耦合特性進(jìn)行了數(shù)值模擬；Zhang[12]對(duì)Callovo-Oxfordian黏土巖進(jìn)行了靜水壓力下加卸載試驗(yàn)和破壞過程中滲透率演化試驗(yàn)，研究了不同受力狀態(tài)下黏土巖的滲透特性；Crisci等[13]對(duì)瑞士Oplinus黏土巖的滲透各向異性進(jìn)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(jìn)行了大量的Oplinus黏土巖原位試驗(yàn)，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(chǎng)耦合過程的雙曲線閉合關(guān)系。國(guó)內(nèi)高放射性廢物處置庫(kù)的研究起步較晚，早期研究主要集中于花崗巖。近年來，對(duì)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(yàn)，得到了黏土巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)，并對(duì)滲透裝置進(jìn)行了改進(jìn)，從而測(cè)得隴東黏土巖滲透系數(shù)；胡海洋[16]對(duì)塔木素黏土巖的力學(xué)特性及滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步評(píng)價(jià)了該黏土巖作為高放射性廢物處置庫(kù)圍巖的可行性；趙守勇[17]對(duì)黏土巖進(jìn)行了溫度-滲流-應(yīng)力耦合試驗(yàn)，研究了黏土巖三場(chǎng)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(yàn)和不同圍壓、滲透壓下全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗(yàn)，分析其滲透和強(qiáng)度特性。綜合考慮圍壓和滲透壓對(duì)黏土巖強(qiáng)度的影響，引入圍壓強(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則，克服了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強(qiáng)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(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.1 圍壓加卸載下塔木素黏土巖滲透率演化試驗(yàn)

處置硐室的開挖及支護(hù)中，圍巖會(huì)出現(xiàn)加卸荷的情況，由于圍巖的擾動(dòng)，該過程圍巖滲透率會(huì)發(fā)生較大變化。因此，對(duì)黏土圍巖進(jìn)行強(qiáng)度范圍內(nèi)圍壓加卸載下的滲透率演化試驗(yàn)具有非常重要的意義。

為研究塔木素黏土巖強(qiáng)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(jìn)行試驗(yàn)。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(jìn)行試驗(yàn)，巖樣取自塔木素深鉆孔500、600、700 m 3個(gè)目標(biāo)層位，試樣情況見表1。試驗(yàn)進(jìn)行了7個(gè)圍壓加載和卸載特征點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，分別為5、8、10、15、20、25、30 MPa，圍壓先從5 MPa升至30 MPa，再?gòu)?0 MPa降至5 MPa，過程中按圍壓設(shè)定點(diǎn)依次監(jiān)測(cè)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(yàn)巖樣Table 1 Rock samples for permeability evolution test under confining pressure’s loading and unloading conditions

加卸載試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(dá)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(dá)到10 MPa后，巖樣內(nèi)部密實(shí)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(jí)，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(duì)圍壓加載和卸載過程的滲透率-圍壓關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖3和圖4所示。通過對(duì)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(yàn)

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(duì)塔木素黏土巖進(jìn)行全應(yīng)力-應(yīng)變過程的滲透率試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用TAW-2000微機(jī)控制伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)時(shí)圍壓與滲透壓加載達(dá)到設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)束運(yùn)用達(dá)西定律計(jì)算巖石滲透率，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)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(shí)曲線斜率增大，此時(shí)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(jìn)入峰后破壞階段，滲透率將遠(yuǎn)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(jí)，與圍壓加卸載試驗(yàn)結(jié)果一致。在滲透壓相同時(shí)，隨圍壓增加，峰值強(qiáng)度增大，滲透率呈降低趨勢(shì)。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(kuò)展受到抑制，其承載能力增大；同時(shí)黏土巖的原生孔隙會(huì)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(shí)黏土巖滲透率會(huì)降低，直至出現(xiàn)塑性變形，其滲透率會(huì)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(shí)，隨滲透壓的增大，峰值強(qiáng)度減小，滲透率出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。該過程滲透壓的增大導(dǎo)致巖石損傷進(jìn)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(shí)峰值強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度變化中占主導(dǎo)，滲透壓對(duì)強(qiáng)度的影響相對(duì)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(shì)，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(kuò)展，伴隨新裂紋的出現(xiàn)并逐漸貫通，此時(shí)滲透率上升，直至上升到滲透率極值，該過程存在一個(gè)滲透率激增的突變點(diǎn)。滲透率峰值通常滯后于軸向應(yīng)力峰值。由于巖樣在達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)瞬間破壞，無(wú)法測(cè)出峰后階段巖石滲透率的變化情況。

2.3 國(guó)內(nèi)外處置庫(kù)黏土圍巖強(qiáng)度及滲透性對(duì)比

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)高放射性廢物處置庫(kù)黏土圍巖研究起步較晚，將塔木素黏土巖與國(guó)外黏土巖強(qiáng)度特性與滲透性進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 塔木素黏土巖與國(guó)外黏土巖強(qiáng)度及滲透性對(duì)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(guó)黏土巖試樣深度均為500 m左右，其強(qiáng)度與滲透性較為一致；瑞士黏土巖與比利時(shí)黏土巖埋深較?。槐壤麜r(shí)地下實(shí)驗(yàn)室埋深最小，為223 m，因此其強(qiáng)度最小，致密程度低，滲透性大于其他國(guó)家處置庫(kù)黏土圍巖。塔木素黏土巖滲透率水平處于約10-20m2數(shù)量級(jí)，與法國(guó)和瑞士黏土巖液測(cè)滲透率較為一致，與比利時(shí)黏土巖相比小一個(gè)數(shù)量級(jí)。比利時(shí)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(duì)更高。塔木素黏土巖以納米孔喉和微毛細(xì)管孔喉為主，經(jīng)測(cè)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(qiáng)度特性分析

3.1 圍壓對(duì)黏土巖強(qiáng)度的影響

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

(1)

式中：σm為滲透壓為0時(shí)，圍壓σ3對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度；σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

3.2 滲透壓對(duì)黏土巖強(qiáng)度的影響

當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著滲透壓的增大，黏土巖強(qiáng)度降低。因此，為反映滲透壓的施加對(duì)黏土巖強(qiáng)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(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力。

結(jié)合表2的試驗(yàn)結(jié)果，通過式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，可以得到黏土巖圍壓強(qiáng)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(jì)算結(jié)果和圖6可以看出，在上述試驗(yàn)條件下，圍壓對(duì)塔木素黏土巖強(qiáng)度影響起主導(dǎo)作用，圍壓強(qiáng)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(duì)黏土巖強(qiáng)度的影響。

表4 圍壓強(qiáng)化系數(shù)與滲透壓弱化系數(shù)計(jì)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(qiáng)度準(zhǔn)則

基于前文進(jìn)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?cè)囼?yàn)結(jié)果，運(yùn)用幾種常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，探討滲透壓作用下各強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用性。采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合的結(jié)果如圖6(b)所示，采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合的結(jié)果如圖7所示。

圖6 黏土巖強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度隨圍壓的變化，而Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的吻合度與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合結(jié)果相比較低。此外，2種強(qiáng)度準(zhǔn)則均只能反映單一條件下黏土巖強(qiáng)度的變化，無(wú)法反映圍壓與滲透壓2個(gè)影響因素共同作用時(shí)，其變化對(duì)黏土巖強(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則，以達(dá)到表征塔木素黏土巖在圍壓和滲透壓共同作用下的強(qiáng)度特性。

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

(3)

采用式(3)對(duì)圖8中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的三維曲面進(jìn)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)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(duì)比圖8和圖9可知，本文通過引入圍壓強(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則式(3)能很好地表征塔木素黏土巖的強(qiáng)度特性，與Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則相比，可同時(shí)反映出塔木素黏土巖在地下深部應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同作用環(huán)境中的真實(shí)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(duì)塔木素黏土巖進(jìn)行了不同圍壓加卸載下滲透率演化試驗(yàn)和不同圍壓、滲透壓下全應(yīng)力-應(yīng)變滲透率試驗(yàn)，對(duì)其滲透和強(qiáng)度特性進(jìn)行了分析?？紤]圍壓和滲透壓對(duì)黏土巖強(qiáng)度的共同影響，引入圍壓強(qiáng)化系數(shù)和滲透壓弱化系數(shù)定量反映圍壓和滲透壓對(duì)黏土巖強(qiáng)度的影響，并結(jié)合不同強(qiáng)度準(zhǔn)則在表征黏土巖強(qiáng)度特性中的適用性對(duì)比，提出一種考慮圍壓和滲透壓共同作用的黏土巖強(qiáng)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(jí)，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(shí)，圍壓越大，塔木素黏土巖強(qiáng)度越大，滲透率越小；相同圍壓時(shí)，滲透壓越大，塔木素黏土巖強(qiáng)度越小，滲透率越大。黏土巖圍壓強(qiáng)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(shí)，圍壓對(duì)黏土巖強(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則能更為準(zhǔn)確地反映高放射性廢物處置庫(kù)塔木素黏土圍巖的力學(xué)強(qiáng)度特性，克服了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則僅考慮圍壓變化的局限。