三轴压缩过程中裂隙岩体变形特征与渗流机理研究

为解决地下工程中危险气体预测与防治难题，研究人员通过实验室三轴试验探究了预制裂隙岩体在非均匀应力状态下的渗流特性。研究发现裂隙渗透性变化与围压、裂隙角度及破坏模式显著相关，建立了渗流-应力-损伤耦合计算模型，揭示了侧向应力对裂隙渗透性的主导影响。该研究为岩层有害气体运移规律预测提供了理论支撑。

　　

在复杂地质构造区域，深部隧道开挖常面临高地应力、高温、涌水及危险气体释放等挑战。近年来，隧道施工中围岩有害气体涌出事故频发，如美国Sylmar隧道穿越断层带时遭遇甲烷喷发引发爆炸，中国红豆山隧道在通过断层时出现源自深部岩层的CO₂和H₂S喷发。这些事故多发生在储气构造和断裂发育区，而断裂区的气体涌出因岩体裂隙发育和复杂地质历史具有更大不确定性。目前针对裂隙岩体渗流特性的研究多关注正应力作用，而实际岩体处于三轴非均匀应力状态，裂隙面侧向应力对渗流的影响机制尚不明确。

为阐明偏应力作用下裂隙岩体变形与渗流演化机制，重庆大学的研究团队通过三轴渗流试验，系统研究了不同围压和裂隙角度下岩体的渗透性变化规律，建立了考虑流-固-损耦合的计算模型，研究成果发表在《Soils and Foundations》。研究采用Rock 600-50岩石三轴多场耦合力学试验系统，对含70°-90°预制裂隙的花岗岩进行CO₂渗流测试，结合立方定律计算裂隙等效开度，并通过COMSOL Multiphysics软件构建二维数值模型验证理论。

3.1 预制裂隙花岗岩损伤变形特征
研究发现裂隙角度减小会使预制裂隙体积应变由膨胀转为收缩。当裂隙角度为90°时，低围压下预制裂隙应变呈先收缩后膨胀，而35 MPa围压时仅显示收缩。通过分离岩石裂隙应变(ε^r_fv)和预制裂隙应变(ε^f_fv)，证实高围压会抑制预制裂隙膨胀，使岩体扩容主要源自新生裂隙。

3.2 预制裂隙岩体破坏模式
裂隙角度显著影响破坏模式：90°裂隙在25 MPa以上围压时转为材料破坏（单一剪切面），而80°和70°裂隙始终为结构破坏（端部局部剪切）。70°裂隙因块体厚度较小，在所有围压下均表现为对称双剪切面破坏。

3.3 预制裂隙岩体渗透性变化特征
渗透率(K_f)在轴向应变增加时先降后升，破坏后增幅与围压、裂隙角度及破坏模式相关。90°裂隙在5 MPa围压下破坏后渗透率增加3.3%，而70°裂隙在35 MPa围压下破坏前后分别降低19.4%和8.9%。雷诺数(Re)维持在1.3-2.8，符合立方定律适用条件。

4.1 考虑轴向压缩与渗流效应的裂隙开度计算模型
建立的裂隙开度模型首次量化了侧向应力(σ_τ)对渗透性的影响：e_n=e_n0exp[-λ(χΔσ_n/e_n0-(S₁+S₂)Δp/E_re_n0sinθ)]，证实侧向应力通过诱发裂隙膨胀增加渗透性，该效应随裂隙角度减小而增强。

5.2 模型验证
数值模拟与试验数据误差<10%，成功再现了材料/结构破坏的转化现象。忽略侧向应力的模型会低估渗透率，如70°裂隙在峰值应力状态下计算偏差达17%。

5.3 侧向应力对渗透性的影响机制
弹性模量降低会减弱渗透率，但增强侧向应力效应。当E_r从26.5 GPa降至10.6 GPa时，侧向应力对渗透率的贡献率从10%升至32%，在峰值应力时最大影响可达总渗透率的1/3。

该研究创新性地揭示了侧向应力通过诱发裂隙膨胀影响渗流的机制，建立的耦合模型能准确预测三轴应力下裂隙渗透性演化。成果对深部隧道有害气体涌出预警、页岩气开采中的裂隙网络优化等工程实践具有重要指导价值，特别是为断层带等复杂地质条件下的气体运移模拟提供了新理论框架。研究同时发现岩石弹性模量越小，侧向应力对裂隙渗透性的调控作用越显著，这为差异化围岩加固策略的制定提供了科学依据。