岳中文，楊仁樹(shù),2，孫中輝，竇波洋，韓朋飛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

1 概 述

新疆伊犁地區(qū)地下煤炭資源儲(chǔ)量豐富，在該地區(qū)的大部分地方，第四系表土層中埋藏著一層巨厚礫石層，其中往往含有地下水。在含水復(fù)雜多變的礫石層中進(jìn)行巷道施工，隨時(shí)面臨塌方冒頂、涌水、突水、涌砂和涌泥等一系列問(wèn)題。因此，要解決富水礫石層井筒支護(hù)問(wèn)題，就必須先了解礫石土的物理力學(xué)特性。特別是其滲透性能的影響因素，有必要進(jìn)行深入的探討和研究。從國(guó)內(nèi)外的研究狀況來(lái)看，土中水的研究歷史非常悠久，早在1856年法國(guó)工程師達(dá)西(Darcy)就提出了線性滲流的達(dá)西定律[1]。周中等[2]通過(guò)自制的常水頭滲透儀，測(cè)定了不同含礫量時(shí)土石混合體滲透系數(shù)值。朱崇輝等[3]通過(guò)對(duì)無(wú)黏性粗粒土的顆粒級(jí)配，進(jìn)行控制性滲透試驗(yàn)研究。滲透試驗(yàn)也由飽和土發(fā)展到非飽和土，由常規(guī)滲透試驗(yàn)進(jìn)展到三軸滲透試驗(yàn)。但是，三軸滲透性研究仍處在初期階段，試驗(yàn)技術(shù)還很不成熟[4]。能夠反映土體三軸滲透研究成果的文獻(xiàn)寥寥無(wú)幾，僅查到朱建華采用應(yīng)力控制式三軸滲透試驗(yàn)儀研究了土壩心墻的滲透性和滲透各向異性隨其所受的應(yīng)力條件而變化的關(guān)系。李永樂(lè)等[5-7]利用特制的非飽和土三軸儀，對(duì)黃河大堤非飽和土的滲透特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。如何利用三軸滲透試驗(yàn)對(duì)礫石土的滲透規(guī)律進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究，以確定更符合實(shí)際的礫石土體滲透性參數(shù)，便顯得尤為重要。

本文利用多功能靜動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究了伊犁一礦礫石土的滲透特性。通過(guò)對(duì)伊犁一礦礫石土樣進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)研究，可以有效克服進(jìn)行常規(guī)滲透試驗(yàn)時(shí)的先天不足，從而減小誤差，為伊犁一礦井筒滲流穩(wěn)定分析提供更加合理的計(jì)算參數(shù)。

2 試驗(yàn)描述

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能靜動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。圖2表示供水裝置，主要有水箱、氮?dú)馄亢蛪毫Ρ斫M成。

圖2 供水裝置

該試驗(yàn)機(jī)不但能進(jìn)行土石、軟巖與混凝土材料試驗(yàn)，具有軸向與圍壓獨(dú)立靜動(dòng)載荷的能力，而且還具有單獨(dú)滲流以及滲流與應(yīng)力耦合的各種材料試驗(yàn)功能。加載模式可采用位置控制、應(yīng)力控制、應(yīng)變控制及試驗(yàn)過(guò)程中的相互轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全過(guò)程控制與數(shù)據(jù)采集，以及可視化數(shù)據(jù)處理等。

2.2 試驗(yàn)材料

三軸滲透試驗(yàn)選用不同深度土樣三組，試樣基本的物理指標(biāo)見(jiàn)表1。顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

表1 試樣的物理指標(biāo)

圖3 試驗(yàn)材料顆粒級(jí)配曲線

2.3 制樣與裝樣

三軸滲透試驗(yàn)，采用含水率為4%的試樣，采用鋼制套膜制成垂直樣，分四層壓實(shí)制成。試樣尺寸：直徑為φ300mm，試樣高度為700mm。

2.4 三軸試驗(yàn)原理和加載方案

三軸滲透試驗(yàn)，是通過(guò)恒定的周?chē)鷫毫?、軸向壓力施加至土樣，待土樣固結(jié)完成后，以恒定的流速或恒定的水頭對(duì)土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測(cè)量土樣在各種條件下的滲透系數(shù)。滲透試驗(yàn)分兩種試驗(yàn)類型：恒流量試驗(yàn)和恒水頭試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用恒水頭試驗(yàn)。每組圍壓及水頭壓力加載方案見(jiàn)表2。

表2 每組圍壓及水頭壓力加載方案

2.5 試驗(yàn)步驟

(1)按照三軸試驗(yàn)步驟將試樣裝好。

(2)施加預(yù)定的圍壓，進(jìn)行固結(jié)排水。

(3)固結(jié)完成后，保持圍壓，用水頭壓力系統(tǒng)在試樣底部施加第一級(jí)壓力水頭，使水從下向上滲透，流量排到體變管中，試樣飽和。

(4)經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔后，記錄體變管變化讀數(shù)，得到在本級(jí)壓力水頭下t時(shí)間里的流量Q。記錄兩次。

(5)調(diào)節(jié)水頭壓力系統(tǒng)施加第二級(jí)壓力水頭，重復(fù)試驗(yàn)步驟，記錄數(shù)據(jù)。

2.6 計(jì)算方法

按每級(jí)圍壓下固結(jié)完成后的式樣高度H和體積變化量Δq，計(jì)算每級(jí)圍壓下固結(jié)完成后的試樣面積A:

(1)

進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Δt時(shí)間間隔內(nèi)的總流量ΔQ，計(jì)算單位時(shí)間流量q：

(2)

按試樣高度H及壓力差ΔP=P1，計(jì)算平均水力坡降i：

(3)

將滲流量q、水力坡降i及試樣面積A代入下式(4)，計(jì)算出在圍壓σ3作用下的滲流系數(shù)k：

(4)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 初始孔隙比e0對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖4表示不同圍壓條件下的e0-k關(guān)系曲線。從圖4可見(jiàn)，滲透系數(shù)k隨著初始孔隙比e0的增大而增大?；旧弦試鷰rσ3=500kPa為界限，大于該圍壓時(shí)，隨著孔隙率的增加，滲透系數(shù)增加的幅度越來(lái)越小；而小于該圍壓時(shí)，滲透系數(shù)增加的幅度越來(lái)越大，可見(jiàn)圍壓對(duì)礫石土的滲透性影響很大。

圖4 不同圍壓條件下的e0-k關(guān)系圖

3.2 不同水頭壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖5、圖6和圖7分別表示試樣在初始孔隙比e0=0.224、e0=0.313和e0=0.185時(shí)，在不同的圍壓條件下，滲透系數(shù)隨著水頭壓力變化的關(guān)系曲線。由三個(gè)圖總的變化趨勢(shì)可以看到，滲透系數(shù)是隨著水頭壓力的增大而增大的。同時(shí)可以看到，滲透系數(shù)和水頭壓力具有線性的關(guān)系。還可以看到，在相同的水頭壓力下，滲透系數(shù)是隨著圍壓的增大而減小的。

圖5 e0=0.224時(shí)滲透系數(shù)-水頭壓力變化關(guān)系

圖6 e0=0.313時(shí)滲透系數(shù)-水頭壓力變化關(guān)系

圖7 e0=0.185時(shí)滲透系數(shù)-水頭壓力變化關(guān)系

3.3 圍壓σ3對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖8表示不同初始孔隙比e0條件下的σ3-k關(guān)系曲線。從圖8可見(jiàn)，滲透系數(shù)k隨著圍壓σ3的增大而減小。同時(shí)可以看到，隨著初始孔隙比e0的減小，滲透系數(shù)也在減小。這是因?yàn)殡S著圍壓σ3的增大，一方面土樣固結(jié)，有效應(yīng)力增加(σ′=σ3-P,P為滲水壓力)，孔隙比減小，即對(duì)骨架的影響較大；另一方面，也增大了水壓力，即對(duì)滲透水流也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

圖8 不同初始孔隙比e0條件下的σ3-k關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本次研究利用多功能靜動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)方法，進(jìn)行不同級(jí)配、初始孔隙比和水頭壓力的礫石土滲透試驗(yàn)研究。研究結(jié)論為：①滲透系數(shù)k隨著初始孔隙比e0的增大而增大；②滲透系數(shù)k是隨著水頭壓力的增大而增大的。滲透系數(shù)和水頭壓力具有線性的關(guān)系；③在相同的水頭壓力下，滲透系數(shù)k是隨著圍壓的增大而減小的。

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