岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

（５）可视化系统设备 当具有自然岩石断裂节理表面特征的丙烯酸试 件在试验中被用作断裂节理试件的上半部分时，由 于丙烯酸的透明性，水在断裂节理内的流动影像可 通过上部试件的剪切盒观察孔观测到，用ＣＣＤ摄 像机来记录其流动过程。在该试验中，用染过色的 水代替普通水来进一步提高水在断裂节理中流动路 径和状态的可视化。 ２．２数控伺服系统的建立 数控系统使用了参数自调节的ＰＩＤｆＰ为比例、Ｉ 为积分、Ｄ为微分）控制技术，基于电脑和Ｉ／Ｏ部件， 采用Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司的ＬａｂＶＩＥＷ图形化编 程语言构建了一个测控剪切试验的虚拟仪器，对垂 直荷载和剪切荷载的闭合电液伺服回路系统进行统 一监控，同时进行多路数据采集、存贮、数据处理 和曲线显示。ＬａｂＶｌＥＷ采用强大的图形化语言（Ｇ 语言）编程，具有强大的数据可视化分析和仪器控制 能力等特点。 线性的前馈预测采用ＰＩＤ控制，而系统则采用 位移型ＰＩＤ控制，以剪切速度恒定控制为标准：垂 直荷载的高精度液压同步控制同样也采用位移型 ＰＩＤ控制来实现。剪切试验装置通过接受反馈信号 值使负载一侧的操作能跟进指令值，从而实现高速 实时数据采集与复杂控Ｎ（ｘｏｏ Ｈｚ）。在大量的人工 及自然节理直接剪切试验中，ＰＩＤ控制稳定性得到 了验证。 恒定法向刚度边界条件是采用一个位于控制系 统软件内的闭合循环来实现的，同时配合电子和水 力伺服控制。控制和测量的非线性反馈分析在一ＰＣ 机窗口上来实现，通过一个多功能模拟数字、数字 模拟、数字输入输出控制面板（Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ和ＤＩＯ）。 收集到的试验数据包括法向应力、剪切应力、相应 的位移和加载圆柱体阀门水平加载和竖直加载的量 值。 ２．３断裂节理表面测量系统 应用ＫＥＹＥＮＣＥ公司生产的岩石节理表面形状 激光测试仪来量测断裂节理表面的粗糙度，该仪器 的精度为＋２０ ｇｍ．分辨率为１０ ｌａｉｎ。在激光扫描过 程中，Ｘ－Ｙ方向的平面定位坐标系统将附加到激光
（２）荷载和位移测控单元 该单元包含２个数字化液压传感器用来量测法 向荷载和剪切荷载；位移的量测是通过两个线性变 位计（ＬＶＤＴ）来实现的。 （３）剪切加载单元 该单元主要包括有上下２个托盘。上托盘连接 到一个能在水平方向上滑动的滑臂，这样能保证上
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第２６卷第１１期
蒋字静．等．岩石节理剪切渗流耦合试骑及分析
２００７盆
１引言
近年来，越来越多的研究人员致力于深部地下 空问开发和利用的研究，地下工程结构的稳定性往 往取决于对岩体介质渗透性的理解和把握。岩体介 质的渗透性一般决定于地下开挖硐室围岩的原位应 力、扰动引力和断裂节理的水力学性质。从２００５ 年我国第一条海底隧道——厦门海底隧道投入施工 建设，未来几年我国还将有多条海底隧道陆续开 工”’２Ｊ。在海底隧道建设过程中，隧道涌（突）水的预 测和防控是影响隧道稳定性的关键因素之一，渗流 分析和涌水量计算在海底隧道工程中具有重要意 义。天然岩体在长期的地质作用下会生成各种不同 类型的节理裂隙等不连续面，形成节理岩体”ｌ。节 理岩体中，岩石介质中孔隙的尺寸和连通程度一般 都远小于岩体中节理裂隙，因此在节理岩体中，隧 道的渗流主要通过断裂节理网络实现的。
憧藕日期Ｉ ２００７—０６—１７；●目日期ｔ ２００７—０７—１９ 作鲁膏开，蒋宇静０９６２一）．男，博士，１９８２年毕业于山东矿业学院（现山东科技大学），现为长崎大学准教授．主要从事岩石力学和土木工程方面的 教学与研究工作ｅ Ｅ－ｍａｊｌ：ｊｉａｒｌｇ＠ｃｉｖｉｌ．ｎａｇａｓａｋｉ－ｕ∞Ｉｊｐ
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①一试件（上部分，：＠—试件（下部分）：＠一凝肢体片ｉ《ｐ一剪切加载 槊；⑤一剪切刹力盒；畦卜硅向荷载鬟．⑦一洁向测力盒：＠一ＬＶＤＴ（剪 切）；＠一ＬＶＩ）Ｔ（法向）；⑩一浩向加载板；＠一剪切加戴扳；＠一可视 化孔
（ｂ）ｊ圭向和切向加载单元
０）水力试验机制 图１ 剪切渗流耦合试验设备照片及示意图 Ｆｉｇ．１ Ｐｈｏｔｏ ａｎｄ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｃｏｕｐｌｅｄ ｓｈｅａｒ－ｆｌｏｗ ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ
部剪切箱在剪切移动过程中有最小的摩擦和产生最 少的弯曲。下托盘连接到另一个滑臂，其只能在竖 直方向上移动。
（４）水供应、密封和量装置 恒定的水压力控制是通过连接到水阀上的空气 压缩机来实现的，水压的控制范围为Ｏ～Ｉ ＭＰａ。平 行于剪切方向上的试件的两边用凝胶片来密封，该
凝胶片具有很好的密封性能，而且非常柔和，对剪 切试验中的力学性质几乎没有影响。从断裂节理中 流出的水量由电子秤适时地收集量测。
ＢＥＨＡＶｌ０ＲＳ ｏＦ ＲｏＣＫ ＪＯＩＮＴＳ
ＪＩＡＮＧ Ｙｕｊｉｎｇ“２，ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ“３，ＬＩ Ｂ０１，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏｄｏｎ９２ ｆ１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔ Ｎａｇａｓａｋｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｇａｓａｋｉ ８５２—８５２１，ｌａｐａｎ；２ Ｃｈｉｎａ－Ｊａｐａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒｙｏｒ Ｇｅｏ—ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｔｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎｔ １３ａｏｎｉｎｇ １１６６２２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｈｅｎ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｉｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，ａ ｎｅｗ ｈｙｄｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｒｏｃｋ ｊｏｉｎｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｊｏｉｎｔｓ ａｒｅ
度，作用力将影响到节理的张开、闭合，并产生新 的接触点。甚至破坏节理岩石材料。例如节理的正 压力引起节理的闭合，面剪切应力则会引起节理面 的错动，引起节理开度的变化。
利用三轴试验可以进行应力对节理渗透性影响 的试验研究，一些研究者“”已经进行了相关的试 验研究。试验结果表明，轴向应力和围压很大程度 上影响着渗透性的大小。目前，大多数研究都是集 中在正应力对节理渗流的影响，关于剪切应力对渗 流的影响因素的研究还比较鲜见。已有研究者口￣１１Ｊ 进行了法向荷载对岩石断裂节理渗流影响的室内 试验研究。近年来，考虑法向荷载和剪切应力对断 裂节理渗流的影响，即所谓剪切渗流耦合试验引起 广泛的研究兴趣［１２－Ｊ４１。然而，由于断裂节理表面粗 糙度定量表述的困难，以及剪切渗流耦合试验中所 需柔性边界条件的限制，剪切渗流耦合试验中变形 和渗流机制还不能充分地理解和描述。本文描述了 一套新的试验设备及其控制系统，采用适当的柔性 边界条件，能够在恒定法向荷载（ＣＮＬ）和恒定法向 刚度（ＣＮＳ）边界条件下进行剪切渗流耦合试验”””ｊ， 并对３组断裂节理试件进行剪切渗流耦合试验。
根据ＩＳＲＭ（１９７８）的定义，节理被定义为连续地 质体内的断续，并且沿着断续没有可见的较大位移。 一组相互平行的节理称为节理组，不同的节理组相 互交叉形成节理系统，节理系统内的节理可以处于 张开的，充填的或者密封的状态。单个节理的力学 和几何性质的描述是理解断裂岩体内的渗流变形性 质的基础。研究节理渗透ｌ生的方法主要有数值分析、 解析和试验研究方法。
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岩石力学与工程学报
ｄｉｓｃｕｓｓｃｄ；ａｎｄ￥ｏｒＲｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ ａｒｃ ｄｒａｗｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ ｍｅｃｂａｎｉｃｓ；ｊ萌ｎｔｓ：ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｈｅａｒ－ｆｌｏｗ ｔｅｓｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ
同时．结合立方准则对试验数据进行分析讨论。试验结果表明：节理力学性质，水力开度和透过率在剪切过程中
呈现出两阶段的变化性质。
关键词｛岩石力学；节理；剪切渗流耦合试验；水力开度；透过率
中田分类号｝Ｔｕ ４５
文献标识码：Ａ
文章编号，１０００—６９１５（２００７）１ｌ一２２５３—０７
ＥＸＰＥＲＩＩⅡＥＮＴＡＬ ＳＴＵＤＹ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＨＥＡＲ．ＦＬｏＷ ＣｏＵＰＬＩＮＧ
捕要－节理岩体内渗流的发生主要是通过断裂节理网络产生，节理面的几何特性和受力特征决定和影响着节理
裂隙的渗透性质，从而极大地影响着水下隧道及地下硐室中的渗流。应用自行研制开发的试验设备（岩石节理单
一剪切一渗流试验机（ＳＭＴ—Ｅ一４０ｌｏ））。在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下，对不同接触状态下的岩 石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验，研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况；
ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ，Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ
ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓ ｉｎ ｒｏｃｋ ｍａｓｓｅｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
在早期的研究中。单个节理渗流通常被视作管 流和明渠流，不考虑外力引起的变形。实际上，除 了充填材料哺”，单个断续节理的渗流性质是外部 荷载、节理开度、表面粗糙度的函数。外力引起节 理变形，改变了节理渗流速率，进而引起的孔隙压 力变化，孔隙应力变化又会影响节理变形。节理开 度、节理表面粗糙度是重要的控制参数，其影响因 素有外力，流体压力和节理面的几何性质。存在于 岩体中的断裂节理处于地应力、地震作用及流体压 力的相互作用中，而通常其有效的作用力包括正应 力、剪切应力和流体压力。根据作用力的大小和方 向不同，节理的力学性质在一定范围内发生变化。 依据节理表面几何性质、变形性质及岩石材料的强