朱 亮

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引言

深部巖石通常處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中?！叭摺敝父叩貞?yīng)力、高溫和高孔隙水壓，“一擾動(dòng)”指開(kāi)挖破壞了原巖的應(yīng)力環(huán)境，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而對(duì)原巖造成初始損傷。文章結(jié)合遼寧某在建隧道的實(shí)際情況，對(duì)該隧道砂巖在高溫、高地應(yīng)力及擾動(dòng)狀態(tài)下圍巖的滲透性進(jìn)行研究。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)巖石滲透率方面的研究成果頗豐。張磊等[1]針對(duì)采煤過(guò)程中瓦斯?jié)B透問(wèn)題，通過(guò)循環(huán)加載試驗(yàn)對(duì)完整煤樣和裂隙煤樣分別進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)研究。李治豪等[2]基于COMSOL數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同粗糙度的巖石進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)過(guò)程中氣體流量及裂隙內(nèi)部應(yīng)力的變化情況。張宏學(xué)等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)氣體解吸導(dǎo)致的頁(yè)巖儲(chǔ)氣層滲透率改變進(jìn)行了研究。郤保平等[4]通過(guò)壓力脈沖衰減法對(duì)高溫處理后的花崗巖的滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了花崗巖不同物理力學(xué)參數(shù)受溫度影響情況。張玉等[5]針對(duì)油氣儲(chǔ)存在深部圍巖內(nèi)的運(yùn)移問(wèn)題，對(duì)裂隙巖石展開(kāi)了復(fù)雜應(yīng)力路徑下的滲透性試驗(yàn)。王磊等[6]為了獲得水蒸氣在不同溫度下對(duì)頁(yè)巖的滲透率的影響規(guī)律，對(duì)高溫處理后的水蒸氣對(duì)頁(yè)巖滲透率及頁(yè)巖各向異性的影響進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。王彪等[7]以巴郎山隧道工程為背景，對(duì)不同圍壓下該隧道圍巖進(jìn)行了氣體滲透性試驗(yàn)研究，以此對(duì)該隧道圍巖的安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。張亮等[8]針對(duì)裂隙煤巖的滲透性問(wèn)題，對(duì)不同實(shí)際工況下煤巖的動(dòng)態(tài)導(dǎo)流性能及裂隙煤巖的滲透率進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。趙靜等[9]針對(duì)原位油頁(yè)巖在高溫條件下的滲透性問(wèn)題，采用高溫高壓三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及氣體滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該頁(yè)巖進(jìn)行了滲透率試驗(yàn)研究，揭示了高溫高壓下油頁(yè)巖的滲透演化規(guī)律。侯宜峰等[10]采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)加載破壞過(guò)程中巖石的氣體滲透規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了滲透率與應(yīng)變之間的關(guān)系。

綜上分析，已有成果對(duì)巖石滲透率進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但對(duì)應(yīng)力、溫度及損傷三項(xiàng)耦合方面的研究相對(duì)較少。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)遼寧某在建隧道砂巖進(jìn)行了滲透率室內(nèi)試驗(yàn)研究，綜合考慮了應(yīng)力、溫度及損傷程度對(duì)巖石滲透率的影響。研究成果能夠?qū)こ虒?shí)際提供一定程度的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試樣制備

本文試驗(yàn)用巖樣采自遼寧某在建隧道砂巖，為了確保試樣均一性，所有試驗(yàn)用巖樣均取自同一完整巖塊。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)粗加工后運(yùn)抵至室內(nèi)試驗(yàn)室，經(jīng)切割、鉆孔、打磨等工序后，最終制得直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。

為了研究該隧道砂巖的滲透特性，需對(duì)試樣的孔隙率進(jìn)行測(cè)量。首先，取3個(gè)巖樣放入真空飽水容器中進(jìn)行24 h飽水處理，時(shí)間達(dá)到后每隔20 min對(duì)試樣進(jìn)行一次質(zhì)量記錄，直至連續(xù)3次質(zhì)量誤差在0.5%以?xún)?nèi)時(shí)可認(rèn)為試樣達(dá)到飽和。然后將飽和后的試樣置于烘干儀中，2 h后測(cè)量試樣質(zhì)量，直至連續(xù)3次質(zhì)量誤差在0.5%以?xún)?nèi)時(shí)可認(rèn)為達(dá)到干燥狀態(tài)。最后根據(jù)飽水法計(jì)算本文砂巖孔隙率為5.63%。

為了得到不同損傷程度的砂巖試樣，本文采用峰前卸荷的方式使試樣具有損傷性質(zhì)。首先對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲取試樣的抗壓強(qiáng)度，然后根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度來(lái)確定卸荷點(diǎn)。本文取砂巖峰前卸荷點(diǎn)峰值強(qiáng)度分別為30%、60%、90%，以此來(lái)獲取不同損傷程度的試樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

本文不同溫度及不同損傷程度的砂巖三軸加載試驗(yàn)均在GCTSRTX-4000高溫高壓巖石試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，滲透試驗(yàn)均在全自動(dòng)巖石氣體滲透系統(tǒng)上完成。為了得到不同試驗(yàn)條件下砂巖的滲透率，采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：k為試樣的氣體滲透率，m2；qv為出口端的氣體流量，m3/s；μ為氮?dú)怵ざ?，Pa·s；P為進(jìn)氣段壓力，MPa，通常取2 MPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.1 MPa；A為試樣的橫截面積，m2；H為試樣高度，m。

為了定量表示本文砂巖的損傷程度，可通過(guò)下式來(lái)計(jì)算不同卸荷點(diǎn)處的損傷變量[11]：

(2)

式中：D為損傷變量；εe為卸荷點(diǎn)處試樣的彈性應(yīng)變；εt為卸荷點(diǎn)處試樣總應(yīng)變；εc為卸荷點(diǎn)處試樣的壓密應(yīng)變。

表1為不同溫度及不同損傷程度下砂巖的三軸加載試驗(yàn)方案。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：(1)首先在GCTS RTX-4000試驗(yàn)儀上對(duì)試樣進(jìn)行加載，當(dāng)加載至指定卸荷點(diǎn)時(shí)卸載，以此來(lái)得到不同損傷程度的巖樣。(2)將不同損傷程度的巖樣放入氣體滲透試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)試樣施加圍壓，待圍壓達(dá)到預(yù)定值后對(duì)試樣施加不同溫度，溫度可通過(guò)水浴箱進(jìn)行控制，待溫度達(dá)到預(yù)定值后，恒溫2 h。打開(kāi)進(jìn)氣閥，施加進(jìn)口端氣壓(P=2 MPa)，并保持恒定，記錄氣體流量變化值qv。不同溫度下氮?dú)獾臍怏w黏度μ不同，可通過(guò)查氮?dú)馕锢硇再|(zhì)表得到。將氣體滲透試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)代入式(1)便可得到不同溫度、不同損傷程度下砂巖的滲透率。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

滲透試驗(yàn)開(kāi)始前，首先對(duì)完整砂巖試樣進(jìn)行兩次單軸壓縮試驗(yàn)，目的是為了檢驗(yàn)本文砂巖是否具有較好的一致性。圖1為砂巖單軸壓縮全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，兩個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為顯著的脆性破壞模式。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算本文砂巖的平均抗壓強(qiáng)度為55.27 MPa、彈性模量為6.77 GPa、泊松比為0.384，三參數(shù)的離散度分別為0.47%、0.52%和2.85%，離散度相對(duì)較小，再次驗(yàn)證了本文砂巖的均一性。

圖1 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為砂巖不同卸荷點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，峰前卸荷均產(chǎn)生了不可恢復(fù)塑性變形，且卸荷應(yīng)力越大，塑性變形越大，對(duì)試樣產(chǎn)生的損傷程度越嚴(yán)重，損傷變量越大。根據(jù)圖2及文獻(xiàn)[11]，并結(jié)合式(2)計(jì)算30%、60%、90%的卸荷點(diǎn)的損傷變量分別為0.289、0.297、0.325，再次驗(yàn)證了前述觀點(diǎn)。

圖2 不同卸荷點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 圍壓對(duì)滲透特性的影響分析

圖3為砂巖滲透率隨圍壓的分布曲線。從圖3可以看出，不同溫度、不同損傷程度下試樣的滲透率隨圍壓的變化曲線基本一致，隨著圍壓的逐漸增大，試樣的滲透率均逐漸減小，且不同試驗(yàn)條件下的曲線均呈逐漸趨緩的變化趨勢(shì)，說(shuō)明滲透率與圍壓之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。原因是圍壓越大，試樣內(nèi)部被擠密壓縮程度越大，氣體滲透通道越窄，從而導(dǎo)致滲透率降低。對(duì)比分析不同損傷程度下的滲透率隨圍壓的分布曲線可知，試樣的損傷程度越嚴(yán)重，曲線斜率的變化幅度越大。原因是損傷導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙率增大，內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，圍壓5 MPa時(shí)試樣內(nèi)部仍留有大量孔隙，氣體滲透通暢，滲透率較大；圍壓10 MPa時(shí)試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)被迅速擠壓密實(shí)，孔隙率迅速減小，從而導(dǎo)致滲透率快速下降；此后，試樣內(nèi)部孔隙被擠壓密實(shí)的速率開(kāi)始減緩，孔隙率的減小速率同樣放慢，最終導(dǎo)致滲透率下降速率趨緩。

圖3 滲透率與圍壓的關(guān)系

2.3 溫度對(duì)滲透特性的影響分析

圖4為砂巖滲透率隨溫度分布曲線。從圖4可以看出，不同圍壓、不同損傷程度下試樣的滲透率隨溫度的變化曲線基本一致，隨著溫度的逐漸升高，試樣的滲透率呈逐漸遞減趨勢(shì)，說(shuō)明砂巖滲透率與溫度之間滿足負(fù)相關(guān)關(guān)系。原因主要是試樣內(nèi)部顆粒在高溫作用下發(fā)生熔融，加速了試樣的腐蝕進(jìn)程，自由接觸面增大，隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部一些成分開(kāi)始膨脹，孔隙在膨脹作用下被逐漸擠密，氣體通道變窄，從而導(dǎo)致孔隙率下降。對(duì)比分析不同損傷程度下試樣的孔隙率可知，隨著損傷程度的逐漸加重，試樣滲透率的下降速率逐漸趨緩。原因是損傷程度的加重使得試樣內(nèi)部孔隙開(kāi)度增大，即使溫度的升高在一定程度上降低了裂隙開(kāi)度，但對(duì)于損傷程度較為嚴(yán)重的試樣來(lái)說(shuō)，膨脹導(dǎo)致的開(kāi)度降低對(duì)滲透率的影響遠(yuǎn)低于損傷程度造成的影響。

圖4 滲透率與溫度的關(guān)系

2.4 損傷程度對(duì)滲透特性的影響分析

圖5為砂巖滲透率隨損傷變量的分布曲線。從圖5可以看出，隨著損傷變量的逐漸增大，試樣的滲透率呈逐漸遞增趨勢(shì)，其中，低圍壓(5 MPa)下，試樣滲透率隨損傷變量先略有降低后再逐漸增大。原因是卸荷點(diǎn)不同對(duì)試樣產(chǎn)生的損傷程度不同，試樣內(nèi)部出現(xiàn)的孔隙數(shù)量也不同，卸荷點(diǎn)為30%峰值強(qiáng)度、損傷變量為0.289時(shí)，此時(shí)試樣內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙數(shù)量最少，裂隙發(fā)育不顯著，且加載初期的壓密階段使試樣內(nèi)部原始孔隙更加緊密，從而導(dǎo)致滲透率出現(xiàn)略微下降情況。卸荷點(diǎn)為60%、90%峰值強(qiáng)度時(shí)，損傷變量分別為0.297和0.325，試樣損傷程度增大，試樣內(nèi)部孔隙數(shù)量增多，裂隙發(fā)育顯著，導(dǎo)致滲透率逐漸增大。對(duì)比分析不同圍壓及不同溫度下砂巖的滲透率隨損傷變量的變化曲線可知，圍壓越低，試樣損傷程度越嚴(yán)重，滲透率差異越大。原因是砂巖內(nèi)部孔隙隨著圍壓的升高而逐漸減少，試樣的密實(shí)程度逐漸升高，進(jìn)而使得試樣的各向異性逐漸減小。

圖5 滲透率與損傷變量的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)不同溫度及不同損傷程度下，砂巖的滲透率隨圍壓的變化曲線基本相同，隨著圍壓的逐漸增大，砂巖的滲透率呈逐漸遞減趨勢(shì)，表明滲透率與圍壓之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)不同圍壓及不同損傷程度下，砂巖的滲透率隨溫度的變化曲線基本一致，隨著溫度的逐漸升高，砂巖的滲透率呈逐漸遞減趨勢(shì)，表明滲透率與溫度之間滿足負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)不同圍巖及不同溫度條件下，砂巖的滲透率隨損傷變量的變化曲線基本一致，隨著損傷變量的逐漸增大，試樣的滲透率呈逐漸遞增趨勢(shì)；圍壓較低條件下，滲透率隨損傷變量呈先減后增的變化規(guī)律。