裂隙岩体水力劈裂临界水压力试验研究

刘得潭　沈振中

摘要：许多水工建筑物建于基岩上，天然岩体大多存在节理裂隙，在高水压力作用下易发生水力劈裂破坏。

为研究裂隙岩体的水力劈裂特性，以水泥砂浆代替岩石、制作预制裂缝试样，研制了高压水密封装置和水压力加载系统，开展了不同缝长和缝宽的砂浆试件水力劈裂试验研究，测定了预制裂缝起裂临界水压力、水力劈裂临界水压力，分析了两者关系，提出了预测表达式。试验结果表明，试件水力劈裂临界水压力为0.441～1.542 MPa，相同条件下，试件水力劈裂临界水压力与初始缝长及缝宽呈负相关关系；预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力比值为61.57%～64.17%，与预制裂缝初始缝长和缝宽无关。应用应力强度因子计算公式，综合试验结果，分析得到了考虑预制裂缝宽度影响的裂缝起裂临界水压力和试件水力劈裂临界水压力的计算表达式。

关键词：裂隙岩体；水力劈裂；预制裂缝；临界水压力

中图分类号：TV36文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）02014006

Abstract：

Many hydraulic structures are built on bedrocks，and most natural rock masses have joint fissures，which are prone to triggering hydraulic fracturing phenomenon under high water pressure.In order to study the hydraulic fracturing characteristics of fractured rock mass，we prepared specimens with precast cracks using cement mortar as a substitute material of rock mass.We developed a water pressure loading system and a water sealing device，and used them to test the hydraulic fracturing of cement mortar specimens with different initial precast crack lengths and widths.We determined the critical water pressure of precast crack initiation and that of hydraulic fracturing of the specimens. The relationship between the critical water pressure of precast crack initiation and that of hydraulic fracturing was analyzed， and the predictive formulas for the critical water pressures of precast crack initiation and hydraulic fracturing were proposed.The test results showed that the critical water pressure of hydraulic fracturing of the specimens was 0441 MPa1542 MPa.The critical water pressure of hydraulic fracturing would decrease as the initial precast crack length and width increased when the other factors remained unchanged.The ratio between the critical water pressure of precast crack initiation and the critical water pressure of hydraulic fracturing was 6157%6417%，and it was independent of the initial crack length and width. Based on the stress intensity factor formula and the experimental results，we obtained the calculation formulas for the critical water pressure of precast crack initiation and hydraulic fracturing of the specimens with consideration to the influence of the width of the precast cracks.

Key words：

fractured rock mass；hydraulic fracturing； precast crack；critical water pressure

巖体经过长期地质构造作用，含有很多微观甚至宏微观上的节理、孔隙及裂纹等。水的渗入使得裂缝内的水压值增大，增加了裂缝尖端应力集中的程度，可造成裂缝发生扩展、贯通出现水力劈裂现象[12]。

目前，很多学者在岩石水力劈裂方面进行了深入的研究。Hayashi[3]在03 m×03 m×03 m立方体安山石岩块表面钻一直径10 mm的圆孔，以黏性稠油为液体进行三轴水力劈裂试验，得出裂缝重新开裂的临界孔压经验公式；Papanastasion和Thiercelin[4]通过试验，研究了岩石塑性屈服和剪胀对水力劈裂裂缝的张开和扩展的影响，定性的分析了裂缝尖端在水力劈裂作用下的力学上和结构上的反应；Kim和Abass[5]对以石膏试件代替岩石试件，进行三轴水力劈裂试验，得到了主应力方向与劈裂方向之间的关系，并观察了裂缝的发育状况；吴景浓[6]分别对于厚壁圆筒岩样和饱和厚壁圆筒岩样进行了不同围压下的水力劈裂试验，得到了岩样的破裂模式、致裂强度与围压的关系；唐红侠和周志芳[7]等人以某水电站工程坝址区岩体所作的水力劈裂试验资料为基础，分析了岩体在水力劈裂过程中岩体裂隙形成的机理。针对规定形状的岩样在制备过程中对试验设备要求较高，不易内置裂缝等缺点，一些学者采用取材方便的砂浆作为岩体相似材料进行岩体相关试验研究[811]。王国庆和谢兴华[12]等人利用高压渗流—应力耦合试验仪对以水泥砂浆作为岩石相似材料的厚壁圆筒试件进行水力劈裂试验，研究了试件的破坏形式和发生水力劈裂破坏的条件，探讨了试件在不同压力环境下水力劈裂破坏的机理；陈勉和庞飞[13]等人采用立方体水泥砂浆试件代替岩石研究了岩体裂纹扩展规律；詹美礼和岑建[14]两人采用水泥砂浆相似材料代替岩石研究了厚壁圆筒水力劈裂破坏条件，提出了发生水力劈裂破坏的半经验理论判别关系；甘磊[15]采用立方体试件，研究了试件水力劈裂临界水压力与与轴压和材料抗拉强度之间的定量关系。

上述研究工作虽然在岩体水力劈裂机理方面取得了不少成果，但在不同初始缝长、缝宽因素影响下岩石临界水压力研究很少，需进一步补充。针对这一问题，本文在文献[15]的基础上，进行了不同缝长、缝宽因素影响下岩石临界水压力试验。分析得到了不同缝宽、缝长对应的预制裂缝起裂临界水压力、水力劈裂临界水压力，拟合得到了预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力关系，并提出了临界水压力计算表达式。

1试验系统

1.1水压力加载系统

裂缝表面所受的外水压力由自主研制的微机控制电液伺服压力试验系统提供。该试验系统包括微机控制加载系统（耦合三轴加载系统）、电动施压泵、耐高压弯管。该水压力加载系统可施加最大水压力3 MPa，即水头达300 m，可以满足岩石、混凝土试件水力劈裂试验研究的需要。利用电动施压泵提供岩石试件的水压力，微机控制加载系统控制电动施压泵的开启、电调压力的采集、电动施压泵运转的速率等；耐高压弯管用于连接电动施压泵与水密封装置。

1.2水密封装置

试件裂缝水密封性的好坏直接决定着试验的成败，随着试件所受的水压力值的增加，试件水密封难度也迅速增加。为了获得试件良好的水密封效果，这里研制了专门的水密装置；该装置分两层，分别为硅胶密封层、工字钢架密封层。

硅胶密封层底层为厚度5 mm、宽度20 mm、长120 mm的黑色硅胶垫。利用高强度环氧树脂胶将黑色硅胶垫粘贴在工字钢内侧凹槽。由于硅胶具有良好的压缩性，所以利用硅胶垫作为密封夹层具有很好的密封效果。为了防止应变片与硅胶垫受压致使应变片发生过载现象，影响数据的采集，在黑色硅胶垫内侧粘贴3层薄的橡胶夹层。

工字钢密封层采用两块2 cm厚独立的工字钢板由螺杆、螺母连接而成。工字钢密封层的实物图如图1所示，工字钢板内侧切割打磨一深度3 mm、宽度20 mm、长120 mm的凹槽，用于安置硅胶密封层，增加试件的水密封效果，防止应变片与钢板直接接触发生过载现象，影响试验结果。两块工字钢中心位置预制一对直径为1 cm的螺纹孔。上下螺纹孔分别与特制接口、密封帽连接。试验前试样的预制裂缝与工字钢架螺纹孔对好位置后，将耐高压导水管与螺纹孔连接，启动水压力加载系统，将试样预制裂缝中的空气排出，排出空气之后，使用密封帽将工字钢架底部螺纹孔密封。

1.3试件制作

采用水泥砂浆作为岩体相似材料，其配合比为：水泥：砂∶水=1∶4.559∶0.774。试件尺寸为B×H×T=150 mm×150 mm×150 mm。试件不同长度、宽度的预制裂缝通过在模具预制裂缝孔中埋入钢片预制而成，待试样达到初凝时间后拔出预制钢片，形成贯穿试件的预制裂缝。为了测量试样预制裂缝起裂时临界水压力，在每个模具的侧面距预制裂缝孔尖端2 mm、20 mm、40 mm处预埋直径4 mm的耐高压导水管，待试件养护好后与水压传感器接头相连。试件养护28 d后，用水泥浆填补试件表面缺陷，并用砂纸打磨平整。本试验水力劈裂试件結构及尺寸见图2。

2试验方案

为了研究不同预制裂缝宽度、长度条件下预制裂缝起裂临界水压力及水力劈裂临界水压力，设计了A、B两种试验方案，见表3。对6个养护28 d成型的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件测定其抗压强度及劈拉强度，测得平均抗压强度为11.71 MPa，平均劈拉强度为1.09 MPa。

3试验结果及分析

3.1预制裂缝起裂临界水压力

在靠近试件预制裂缝尖端位置处埋设耐高压导水管，外接水压传感器，预制裂缝内水压较小时，裂缝未起裂扩展，水压传感器无测值。随着水压的不断增大，当增至某个值时，预制裂缝起裂，然后随着裂缝的扩展，水压传感器开始有测值。由于水前锋的发展滞后于干裂缝的扩展，所以可大致确定水压传感器有测值的时刻附近，裂缝开始起裂扩展，具体确定需结合裂尖应变的变化规律进行确定。

基于徐世烺和Reinhard[1617]提出的关于裂缝开展判断依据，试件的破坏形式由裂缝起裂前的线弹性阶段、裂缝起裂后的稳定扩展阶段、裂缝失稳破坏阶段。当试件处于裂缝起裂前的线弹性阶段时，裂缝端部的应变与外荷载呈正比列关系。一旦裂缝起裂，裂缝端部附近的应变会随着应力突然释放出现回缩现象，拉应变突然降低。综合水压传感器测值和裂尖位置处应变变化规律，可确定裂缝起裂时临界水压力Pini。

现以A11试件为例分析说明，图3为距离裂尖2 mm、20 mm、40 mm水压传感器传化为该位置内水压力变化规律，表1列出了A11试件起裂时附近部分应变数据。预制裂缝内水压较小时，裂缝扩展的宽度较小，靠近裂尖位置处的水压传感器无测值，随着预制裂缝内水压的增加，增至544 s时，距离裂尖2 mm位置的水压传感器开始有测值，由于水前锋的发展滞后于干裂缝的扩展，所以大致认定在544 s左右预制裂缝开始起裂；随着裂缝的扩展，在试验进行到598 s时距离预制裂缝尖端20 mm位置的水压传感器开始有测值，随着电动试压泵水压继续加载，测值不断增加；试验进行到635 s时距离预制裂缝尖端40 mm位置的水压传感器开始有测值，随着水压继续增加，测值不断增加，直至663 s时，试样发生劈裂破坏，电动施压泵水压突然降低，三个水压传感器测值也随之骤降。

从表1可以发现，A11试件在试验进行到541 s时，应变突然开始减小，所以综合上述距裂尖2 mm处水压传感器测值分析可认为A11试件在541 s时开始起裂，起裂临界水压力Pini为0535 MPa。同样对其它工况下的试件进行裂缝起裂临界水压力Pini的分析，取每组3个试件的平均值作为该工况裂缝起裂临界水压力，结果见表3。从表3可以发现在其它影响因素相同时，预制裂缝宽度、长度在一定范围内，预制裂缝起裂临界水压力随着初始预制裂缝宽度的增加而减小，每增加2 mm，起裂临界水压力降低25%左右；在其它影响因素一定时，预制裂缝起裂临界水压力随着初始预制裂缝长度的增加而减小，每增加10 mm，起裂临界水压力降低35%左右。

3.2水力劈裂临界水压力

试样所受水压值达到水力劈裂临界水压力值Pc时，电动施压泵水压突然下降至零附近，裂缝沿着裂尖方向贯通整个试件。现以A11试样在水压作用下发生水力劈裂破坏为例进行分析。由表2可知水压由第660 s的0883 MPa升至第663 s的0886 MPa，第663 s到第665 s间，水压由0886 MPa骤降至0.321 MPa，此期间并有水流从破坏面喷射涌出，由此可认为在第663 s时发生了水力劈裂破坏，水力劈裂临界水压力为0886 MPa。

力为0642 MPa，这与试验测得的数据有29%的误差，原因在于文献[15]没有考虑初始裂缝宽度对水力劈裂临界水压力的影响。因此，对于一定初始缝长、缝宽的试样临界水压力理论计算表达式可通过下面步骤推求。

（1）试件水力劈裂临界水压力计算公式 。

对于中心裂缝所在的断面，中心裂缝受均布荷载P作用时，利用线弹性叠加理论可以等效成具有中心裂缝的载体两端受到均匀拉应力P，见图6。图6（b）为无裂缝板，其应力强度因子K=0，故图6（c）情况下的应力强度因子等于图6（a）情况下的应力强度因子。对于图6（a）情况下的应力强度因子的求解，虽然目前国内外对有限尺从宽板中心裂缝的Ⅰ型应力强度因子进行了研究，并提出了裂缝长度a与试件尺寸对应力强度因子影响的修正系数α，但对裂缝宽度b影响的研究很少，基于此，本文引入裂缝宽度修正系数λ，对Ⅰ型裂缝应力强度因子表达式进行修正，并求预制裂缝水力劈裂临界水压力Pc计算公式。

5结论

（1）本文以水泥砂浆作为岩石相似材料研究了预制裂缝临界水压力，试验结果表明：试样预制裂缝临界水压力与初始缝长、缝宽呈负相关关系。

（2）同一试样，预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力比值为61.57%～64.17%，基本为常数，可认为与预制裂缝宽度、长度无关，拟合的关系式为：Pc=1.61Pini。

（3）基于断裂力学理论，考虑了裂缝宽度对應力强度因子影响的修正系数，给定了岩石裂缝在一定宽度范围下水力劈裂临界水压力表达式为：Pc=[SX（]0.13ft[]（0.2η+0.21）·[KF（]πac[KF）]·α[SX）]，裂缝起裂时临界水压力表达式为：Pini=[SX（]0.0807ft[]（0.2η+0.21）·[KF（]πac[KF）]·α[SX）]，由于试验数据有限，本文提出的临界水压理论计算公式有待进一步验证。[HJ1.8mm]

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