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摘要：在充填度有差异的工况下对含结构面砂岩类似材料进行剪切-渗流耦合试验分析。统计结果发现：当水压恒定时，伴随充填度增加，材料的峰值剪应力值呈降低趋势，且法向位移量增加，出现不同程度的剪缩情况，某一充填度区间中流量峰值增加;充填物自身破碎程度和充填度增减量大小之间存在正相关性，充填度较小、较大时，分别主要受裂隙开度、法向力的控制影响。

关键词：充填度;结构面;相抵材料;剪切-渗流;耦合分析

1岩体结构件剪切性质的分析

1.1无充填结构面

既往有很多而得直剪试验研究发现，因为岩体的节理面通常粗糙度较大，凹凸不平，不单纯就是岩石自身属性影响其自身是否发生剪切破坏，还和结构面的实际接触面积、微凸体的啮合现状、充填物的力学属性及岩体本体承受的法向荷载等诸多因素相关。尹显俊等[1]在探讨分析剪切荷载模式时，也充分考虑到了节理与微凸体之间发生的磨损问题，主观的观点认定节理在接触后从粘接至滑动过程中，自身的摩擦角与剪胀角度都呈现了日益下降的态势。

1.2充填结构面

从材料特性层次上，可将节理岩块的填充物分为疏松和硬实填充物质二个类别，前者的物质主要代表有淤泥、石灰等，在填充后会明显减弱岩体节理的硬度，且实际填充量越大，则岩体硬度也越小，当实际填充量超过某一限度时，岩体节理的最大剪应力和法向应力之比接近常数。

2试验方法

2.1制作试件

利用巴西劈裂试验法得到了砂石试块（100mm×100mm×100mm）的原始结构面，随后用取倒模法把以上结构面岩石的下零点五部分放在浇筑盒内（100mm×100mm×100mm），再使用砂：混凝土：水泥=3：2：1比例的类似材料填充上部分模具，并以此方法进行结构面的复合操作。针对施工后的所得试件，在对其进行保养后，在其上零点五部分钻出孔径为十二mm的贯穿式小孔，为后期试验研究中注水操作创造便利条件。根据石膏：水泥=3：1的比例，调配出充填料（粒径范围125～148μm），再通过切−线性渗流耦合试验装置控制法向位移情况，并进行有效压制，最后便可得到充填量不同的试验试件。

2.2试验装置

本课题采用了中国自己开发的耦合试验装置，它主要由伺服控制系统加载、流体源加载，以及剪切盒和配套的密封系统、计算机等几部分构成。

设备的重要技术参数有：（1）法向、切向静态最高测试力均是300kN;（2）力、位移控制加载速度区间分别是0.01～10kN/s、0.005～100mm/min;（3）变形检测范畴、分辨率分别是0～40mm、0.01mm;（4）位移精准度达到±百分之一FS（FS代表的是满量程位移值）;（5）试件是100mm×100mm×100mm的立方体;（6）渗透式水测试压力最大值为5.0MPa;（7）流量计量程最大值五点零L/min.在具体试验操作中，利用纵向压头施以一定的法向荷载，运用切向压头把剪切荷载强加给下裁剪盒，4个支撑杆与安置在右端的反力杆共同维持上裁剪盒的固定状态，采用六个差动变压器（LVDT）及位移计测定试块的切向和法向变化状况后，从压头位置的进水口完成注入动作，水流经试块后，经下裁剪盒出水孔实现流出。为了保证以上实验操作流程的高密封性，在上、下裁剪盒的接触面单元均布置了”O”形式密封环，上裁剪盒见下图1[5]。

2.3试验执行方案及具体流程

试验执行方案见表1。等同试验条件下的各组试验都利用3～5个试件进行，统计结果发现不同试件之间的离散度很小。本文在结果统计分析环节只选择其中单个试件进行。

具体试验操作流程如下：

（1）采用专用仪器测量试件的基本参数，包括长度、宽度及重量大小等，检测并判断LVDT传感器自体是否存在着异常情况;

（2）将整个试验装在剪箱内，根据设计规定调整好剪箱方位角后，对其施以一定法向力，实测确认其满足试验设定值后，拧紧反力杆稳定剪箱，准备展开进行实验研究。

（3）施加一定水压，但确定水压实现相对稳定以后开始进行试验操作，通过剪切

力加载控制管理位移的增加情况，力加载速率一般维持在0.05mm/min。因为是含结构层的已破坏岩体结构，所以因严格控制剪切位移情况。受既有试验设备要求的约束，设计最大剪切位移10mm。

（4）试验完毕后，全面存储数据信息，拍摄含充填物的结构面照片，而后清除其上面层附着的充填物，三维扫描仪扫描检查下部结构面的形体、样貌。

3 统计和分析试验结果

3.1力学特性分析

于充填度有差异的工况下模拟了岩体节理的剪应力一剪切位移曲线（图2）。观察图2，试验开始的早期，剪切位移细微的改变造成剪切力值显著增加，在其抵达峰值以后，剪应力对应值开始呈逐渐跌落直到残余强度。对上述的变化情况加以分析，对于具体因素可进行下列描述：当试验或研究开始进行时，由于岩块的结合面局部凸起或被剪断，在试块内部所产生的剪应力和黏结力诱导充填物本体上产生了细小的张拉施工裂缝，从而引起了剪应力值的迅速增大;随剪切位移量的上升过程，构造面形成的大部分凸出部分被剪切并挂断，而充填物内前期所产生的细小裂隙形体就会以渐进式扩增最后贯通，在这样的工况下，剪应力值最高，但之后由于岩体构造表面粗糙度的下降，整个填充物质也开始被剪切应力，再加上流动水对充填物产生了一定软化影响，所以剪应力值缓缓下降到残余强度并开始发生滑动。

通过观察图2（b），可以发现在长期恒定渗透孔隙水压作用的工况下，含填充物的试块法向压力值发生显著减少，而压缩量则呈现逐步上升态势。而根据本条曲线变化出现的形式，在描述含填充物试块的剪缩现象时可分为二阶段展开，在本文这里选取了充填量百分之一百二十的曲线为例子，加以分析：从O点至A点，位移显示出上升趋势到了短期的恒定阶段。

3.2分析剪切一渗流耦合特性

观察图3（a）～（c），发现在剪切操作中，与剪切位置变化相对应的剪应力与流速变化大体一致。在曲线的上升阶段，剪切力的上升过程与位移量上升过程相互伴随，而流速亦相应上升;塑性区内，当剪切力逐渐降低至最大残余强度，流速基本保持恒定，稳定在最大值。上述现象的原因可给出以下说明：当剪切位移逐渐增加时，不仅结构表面上的凸出部分被剪切，在充填物的内部还产生了大量微裂缝，随着裂缝的扩张、堆积，最后和隙宽贯通，在该阶段瞬时的流量迅速扩大，并随剪切试验不断开展，而裂缝长度也会处在不断扩张态势中，可分析到有孔隙水压、流速等的因素制约，所以在流速到达峰值后基本没有变化。

观察图三中（d）～（f），在一定区域中，法向变化对流速会产生的一些影响，在三个速度变化曲线图内，AB曲线与剪切为宜轴成角均90°，A点为法向位移变化二阶段的转折点，可将B点看作流速的峰值和变化转折点，这也昭示了剪切位移变化是控制流速改变过程中的主要，而当法向位移出现阶段性变化时，流量也会做出一定变化。当填充率百分之四十以上[图3（d）]时，A点对应B点恰是流量的最大值位置;充填度达百分之八十[图3（e）]时，B点位于流速的最高之前;填充率百分之一百二十以上[图3（f）]时，由于B点在实际流速峰值的前沿，且在法向位置暂时固定的同一阶段内流速还会发生一次变化、由此可见，随着实际填充率的提高过程中，法向位置变化对流速大小所产生的影响逐步被削弱。但可能由于随实际填充厚度的提高，导致裂隙的及高度出现不同程度的增加，而此时法向位移的变化程度会逐渐减少，所以其对流量形成的影响也不断减小。

4 结束语

在水压恒定时，伴随充填度的增加，与山体结构件的峰值剪应力逐渐减少，法向位移出现剪缩现象，不同充填度流量峰值表现出先增加后恒定的变化态势，剪切阶段充填物生成的裂隙调控者流量的改变过程，法向位移尽管也影响流量变化，但伴随填充度的提高，其影响力越来越弱。通过加入充填物及注水对结构面的软化作用，有助于减轻面层的损毁程度。

参考文献

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[8] 李庆文. 卸围压裂隙砾岩渗流-应力耦合流变特性研究[D]. 辽宁工程技术大学， 2019.

项目;名称 岩石裂隙压缩-蠕变-径向渗流机理及试验研究  项目编号：202110290191Y