水泥砂浆水力劈裂试验研究

第25卷 增1岩石力学与工程学报 V ol.25 Supp.12006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006收稿日期：2005–08–10；修回日期：2005–12–02基金项目：国家自然科学基金重点项目(50239070)；南京水利科学研究院青年基金资助项目(Y10402)作者简介：速宝玉(1936–)，1958年毕业于华东水利学院河川水工结构专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程渗流及其控制方面的研究工作。

E-mail ：iamxiexh@水泥砂浆水力劈裂试验研究速宝玉1，谢兴华2，王国庆3(1. 河海大学 水电学院，江苏 南京 210098；2. 南京水利科学研究院 水工水力学研究所，江苏 南京 210029；3. 浙江省钱塘江管理局，浙江 杭州 310016)摘要：选用水泥砂浆作为试验材料，研究其在水力劈裂条件下的破坏特征。

制作空心圆柱试件，在三轴渗流应力耦合试验仪上进行水力劈裂破坏试验，得到试件破坏时的应力状态没有满足整体的破坏条件。

对此做了详细研究，认为之所以出现这种情况是因为材料不均匀。

材料的不均匀引起了试件内部应力场分布不均匀。

在处于高应力的某些点上，首先达到破坏条件(拉剪破坏条件)，出现微裂纹。

微裂纹出现以后，应力集中显著，微裂纹沿裂尖继续扩展，直到整体劈裂，试件破坏。

文中建议用材料非均匀系数描述这种非均质材料的破坏特性。

非均质系数越大，材料发生低应力状态破坏的可能性越大。

关键词：水利工程；水力劈裂；试验研究；非均值材料；非均质系数中图分类号： TV 31 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增1–2952–06HYDRAULIC FRACTURE TEST ON CEMENT AND SAND MORTARSU Baoyu 1，XIE Xinghua 2，WANG Guoqing 3(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering ，Hohai University ，Nanjing ，Jiangsu 210098，China ； 2. Department of Hydraulic Engineering ，Nanjing Hydraulic Research Institute ，Nanjing ，Jiangsu 210029，China ；3. Qiantang River Directorial Bureau ，Hangzhou ，Zhejiang 310016，China )Abstracts ：Hollow columns were made with sand-cement grout as test samples ，on which the failure characteristic was studied in the condition of tri axis hydraulic fracturing. The samples were tested on tri axis seepage-stress coupled test apparatus. The data from test show that the stress states did not meet the failure criterion when samples failure. That phenomenon was studied in detail. The result that it was the asymmetry of the sample material leads to the stress field asymmetry. And local high stress can make sample failure from the local spot. Then stress concerctration happened in the failure spot ，which focused on the fracture tip. And then the fracture development was induced. Finally the sample damaged entirely. A new concept ，inhomogeneous coefficient ，was set up to be used to describe the phenomenon of brittle materials failure in low stress level. For any brittle materials ，the larger the inhomogeneous coefficient is ，the larger the possibility of failure in low stress level is. Key words ：hydraulic engineering ；hydraulic fracture ；test study ；inhomogeneous material ；inhomogeneous coefficient1 引 言我国西部高山峻岭，水量丰富，蕴藏着丰富的水利资源，在一些合适的地址开一条不长的引水隧洞就能获得几百米水头。

开发这些既经济又清洁的水能资源面临着许多要解决的理论和技术问题。

其中之一是高水头对混凝土结构衬砌体的水力劈裂问第25卷 增1 速宝玉等. 水泥砂浆水力劈裂试验研究 • 2953 •题。

M. K. Hubbert 和D.G .Willis [1]认为，无论液体是否渗入岩体中，开裂面总是沿垂直于小主应力方向。

在实验室中，B. Haimson 得到不透水岩石在周压3σ作用下的水力劈裂值：32σ′+=∆t p R u (1) 在20世纪80年代，L. Bjerrum 等[2]、R. A. Decker 和S. P. Clemence 分别用模型试验得到并证实了劈裂发生时注入水压与围压的关系，即⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫′+∆+′−+−=∆′+∆+′−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=∆))1((])2[()1())1( (])1[(110f 00f 0f t 0f σβσαβσσβσαK u R K v u K u R K v u t ＞ (2) 式中：0σ′和0σ′K 分别为垂直和水平应力，K 为水平应力系数。

关于水力劈裂沿最小主应力面产生的概念，是在用水力劈裂方法进行地应力测量的实践中逐步认识到的。

起初人们认为水压u ≥3σ+C ，而c (黏聚力)很小，可以忽略，因此有u ≥3σ。

L. Bjerrum 和H. Andersen 的试验在水里加了荧光粉，试验后利用暗室技术拍摄到了垂直裂纹的痕迹，证明了水力劈裂沿最小主应力面产生，而水压降低后裂缝闭合的观点。

G . W. Jaworski 等在进行Teton 坝失事原因调查时，在常规三维条件下进行了立方体劈裂试验。

提出如下经验公式：ta 3if R m u +=σ (3)式中：5.1=m ～1.8，ta R 为视在抗拉强度。

孙亚 平[3]的试验证实了参数m 在应力路径清楚的条件下，是可以确定的。

该试验还提出了区分孔内表面力与渗透体积力分别加载的方案，这一点具有创新意义。

朱建华[4]的试验研究了不同水压进口形状下的水力劈裂现象，认为水力劈裂的性质既不是一点破坏导致整体破坏，也不是整体达到极限出现的破坏形式。

上面的研究提出了关于含水量、密度、孔径、渗透系数等对水力劈裂的影响，对于进一步研究水力劈裂问题很有启发。

C. M. Kim 和H. H. Abass [5]在石膏长方体试块上作室内真三轴水力劈裂试验。

试件尺寸为150 mm ×150 mm ×250 mm ，水与石膏的重力比为0.32，在55 ℃条件下干燥7 d 。

在第2，3主应力平面内，与第3主应力成不同角度布置5个方向的压水孔，研究主应力方向对劈裂方向的影响。

试验完成后，将试件切片，观察裂缝的发育状况。

试件内注入油液，且染成红色。

试验控制注油流速在40 cc/min(8 MPa/min)，研究裂缝的起始压力。

试件内产生一条裂缝，且平行于钻孔轴向。

试验还有2个试件注油流速为60cc/min(24 MPa/min)，研究裂缝扩展情况。

文中给出了随偏转角的变化各个试件内裂缝的起始压力和扩展压力的变化趋势图。

试验中采用倾斜钻孔的方法，在孔内加载水压力，就必然导致材料内部应力状态方向的改变，这将很难精确研究单个应力改变对劈裂的影响，即应力边界条件不明确。

虽然得到了一些有意义的结论，但还不能上升到定量研究的高度。

F. S. John 等[6]在石膏基质材料上钻孔，在孔内用控制爆破的方法获得能量，研究基质裂缝的形式与一些量的关系。

文中得出几个主要结论，加载速率对裂缝的形式影响很大。

高速加载形成多条裂缝，低速加载形成少数几条，或者形成单条裂缝。

裂纹的扩展是因为气体的楔劈作用。

试验加载用爆破气体，虽然做了控制，仍然比较粗略，很难精确控制加载速率，因此只能定性研究加载速率与裂缝形式的关系。

国内的试验研究主要是针对土坝心墙的破坏机制研究，进行的一些土体试件的水力劈裂试验。

在这些试验中，严格控制试件的边界条件，采用单因素变化，研究其对水力劈裂的影响。

其中得出的一个有意思的结论是，试件的破坏有两种形式并存。

即水力劈裂和塑性屈服两种可能性并存，最终的破坏形式与大小主应力比31/σσ有关，但没有给出定量关系。

陈 勉等[7]采用一个大尺寸真三轴模拟系统模拟地层条件，对天然和人工立方体岩样进行水力劈裂破坏试验。

能够检测裂缝扩展的实际过程。

主要讨论了地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水力劈裂的影响。

试验中对裂缝的检测是采用声发射方法，能够实时监测声波速度的变化，这种变化只能说明裂缝扩展，不能确定裂缝扩展的具体位置，也不能显示裂缝的扩展方向，对水力劈裂的影响也只能定性的说明影响存在，而不能达到定量的程度。

岩石的渗透性是与它所处的应力状态密切相关≤• 2954 • 岩石力学与工程学报 2006年的，渗透性的强弱又反过来影响岩体内渗透梯度的分布。

因此研究二者之间的关系是重要的也是比较复杂的。

张守良等[8]在美国TerraTek公司生产的高温高压三轴试验仪上，模拟油井应力状态作了高压渗透性试验，得出如下结论：对于疏松的高渗砂岩，随围压应力水平增加，渗透性近似呈线性降低，岩样屈服及破坏对渗透性影响不明显；而对于一般渗透水平的岩样，随应力水平增加，渗透率开始呈线性降低并趋于平缓，岩样接近屈服状态时渗透率急剧降低。