CN105403498B - 可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法，属于岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置。方法：制备含预制轴向贯穿充填裂隙的标准试样，所述裂隙几何形态参数和充填胶结特征都能调节；所述装置包括裂隙法向约束板、刚性连接杆及螺母；采用胶带和热缩管对上、下压头、透水板和含充填裂隙试样进行密封，所述上压头带有侧部出水口，将密封好的试样整体放入所述裂隙法向压缩加载装置，利用扭矩扳手进行加载固定，改变扭矩值调整充填物密实度；在试验机上进行裂隙渗流试验，选定活塞运行速度并记录出水量，利用稳态法公式可以计算出渗透率。具有构造简单、操作简便、成本低廉、精确度高等特点，在岩石充填裂隙渗流试验研究中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置，尤其涉及一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置。
背景技术
岩石是组成地壳结构的基本物质，是经历了漫长地质史的大自然产物，天然岩石内部有许多微裂隙、节理、断层等结构上的缺陷。岩体裂隙赋存形式多变，充填胶结和几何形态特征复杂，使得岩体的渗流性质不同于土体等颗粒孔隙介质，具有其复杂性和特殊性。结构面是岩体地下水渗透、突涌的良好通道，严重时可以导致工程围岩失稳破坏，因此，岩石裂隙渗流规律始终是国际岩石力学界研究的热门课题。
达西定律揭示了层流条件下土体(颗粒孔隙介质)中渗流速度与水力梯度之间的线性关系，其表达式为：v＝ki。式中：v为渗流速度；k为介质渗透系数；i为水力梯度。影响土体渗透系数的主要因素有粒度成分、密实度(无黏性土)或孔隙比(黏性土)。
光滑平行板裂隙模型认为裂隙由两片光滑、平直、无限长的平行板构成，由流体为不可压缩、黏性及水流为层流的假定,根据流体力学基本原理可以推导出平行板裂隙的水流公式Q＝γb3i/12η，即立方定律，其中，γ、η分别为流体的重度和动力粘度，b为裂隙开度。此时，单一岩石裂隙的渗透系数可表示为k＝γb2/12η，影响其数值大小的裂隙几何形态参数主要是等效开度和粗糙度。
开完施工引起的强烈岩体应力重分布将诱发非导水充填结构面变形活化，改变其开度、粗糙度以及充填物粒度成分、密实度，致使其转变为地下水渗透、突涌的良好通道，严重时甚至导致工程围岩失稳破坏，演变为突水突泥、塌方冒顶等重大工程灾害。
发明内容
本发明的目的是要提供一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置，解决国内外学者在研究裂隙岩体水力学性质时，只考虑单一平直光滑无充填时的情况测试裂隙的渗透率，然后根据裂隙的连通性、粗糙度、充填及应力状态情况进行适当修正获得裂隙渗透率的问题。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：岩石充填裂隙渗透率测试方法，首先制备含预制轴向贯穿充填裂隙的标准岩石或相似材料试样；采用胶带和热缩管对上、下压头、透水板和含充填裂隙试样进行密封，将密封好的试样整体放入所述裂隙法向压缩加载装置，并利用扭矩扳手进行加载固定；利用MTS试验机及裂隙法向压缩加载装置测试，选定活塞运行速度并记录出水量，利用稳态法公式可以计算出渗透率，包括：裂隙产状、开度、粗糙度和充填物粒度成分、密实度多因素影响的岩石充填裂隙渗透率。
具体步骤如下：
(1)制备含单一预制轴向贯穿裂隙的标准岩石或相似材料试样，所述裂隙在试样横断面上的迹长、裂隙产状、开度和粗糙度都可以调节；所述的相似材料为水泥砂浆或树脂；
(2)制备特定粒度成分的充填物，并按一定密实度填满所述裂隙；所述的充填物为砂土或粉土；所述的特定粒度的最大粒径dmax≤1.0mm；所述的一定密实度为砂土相对密实度Dr≥0.30、粉土孔隙比≤0.92；
(3)在所述裂隙法向约束板圆弧部分之间放置所述已密封含充填裂隙试样，用所述刚性连接杆穿过约束板对应的螺栓孔，在约束板外侧用所述螺母套入刚性连接杆进行固定；
(4)利用扭矩扳手对所述裂隙法向压缩加载装置上的螺母施加扭矩，可以改变所述充填裂隙的受力状态、开度及充填物密实度，由扭矩值可换算得出所述试样受到的径向压力，并利用游标卡尺测量裂隙张开度的变形量；
(5)将所述裂隙法向压缩加载装置和所述含预制充填裂隙试样整体放在MTS815/816电液伺服试验机上进行渗流试验，试验开始前，施加一定轴向荷载固定试样；所述的一定轴向荷载为1.0～2.0KN；
(6)选定合理的活塞运行速度，换算得到对应的渗流速度和渗流时间，所述的活塞运行速度为0.1～0.7mm·s-1，利用稳态法测试充填节理的渗透特性，水流通过充填节理和上端压头后，在侧部出水口流出，使用量杯、天平进行水量和流失物的收集测量，利用稳态法公式可以计算出渗透率；具体公式为：kf＝QfηL/AΔP,式中，kf为渗透率，mm2；Qf为单位时间渗流量,mm3·s-1；η为动力黏度，MPa·s；L为试样高度，mm；A为试样截面面积，mm2；ΔP为试样两端渗透压力差，MPa；
(7)对所述螺母扭矩值、裂隙产状、开度、粗糙度以及充填物粒度成分因素进行调整，获得不同因素影响下的充填节理渗透性能。
实施岩石充填裂隙渗透率测试方法的专用装置，包括：裂隙法向约束板、螺母、刚性连接杆、PVC胶带和热缩管、上透水板、上压头、出水口、下透水板、下压头、进水口；裂隙法向约束板有两块，在两块裂隙法向约束板2的中部均有圆弧段以方便与标准试样紧密接触，在两块裂隙法向约束板的四个角部有设计有螺栓孔，刚性连接杆穿过螺栓孔，通过螺母连接；在两块裂隙法向约束板之间放置含有预制充填裂隙的标准试样；在标准试样的上端顺序连接有上透水板、上压头，在上压头上有出水口；在标准试样的下端顺序连接有下透水板、下压头，在下压头上有进水口；在上透水板、上压头、含有预制充填裂隙的标准试样、下透水板和下压头外密封有PVC胶带和热缩管。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明可以改变裂隙在横断面上的迹长、产状、开度、粗糙度以及充填物粒度成分、密实度、所受应力状态等因素来测试其渗透率，解决了以往国内外学者在研究裂隙岩体水力学性质时，上述诸多因素不能全部考虑，而只考虑单一平直光滑无充填时的情况测试裂隙的渗透率，然后根据裂隙的连通性、粗糙度、充填及应力状态等情况进行适当修正获得裂隙渗透率这一问题，实现可综合考虑裂隙几何形态参数和充填胶结特征等因素的单一裂隙渗透率测试试验，获得不同因素影响下的充填节理渗透性能，为岩体水力学的理论分析和工程应用提供基础试验数据支撑。本发明具有构造简单、操作简便、成本低廉、精确度高等特点，在岩石充填裂隙渗流试验研究中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的裂隙法向压缩加载装置示意图。
图2为本发明的裂隙法向压缩加载装置的水平投影图。
图3为本发明的渗流试验示意图。
图4为本发明的渗透率与几何平均粒径关系曲线图。
图5为本发明的渗透率与节理开度关系曲线图。
图中，1、含有预制充填裂隙的标准试样；2、裂隙法向约束板；3、螺母；4、刚性连接杆；5、PVC胶带和热缩管；6、上透水板；7、上压头；8、出水口；9、下透水板；10、下压头；11、进水口；12、试验机上承压板；13、试验机下承压板。
具体实施方式
岩石充填裂隙渗透率测试方法，利用MTS试验机及裂隙法向压缩加载装置测试，包括：裂隙开度、粗糙度和充填物粒度成分、密实度多因素影响的岩石充填裂隙渗透率。
具体步骤如下：
(1)制备含单一预制轴向贯穿裂隙的标准岩石或相似材料试样，所述裂隙在试样横断面上的迹长(可以贯穿)、裂隙产状、开度和粗糙度都可以调节；所述的相似材料为水泥砂浆或树脂；
(2)制备特定粒度成分的充填物，并按一定密实度填满所述裂隙；所述的充填物为砂土或粉土；所述的特定粒度的最大粒径dmax≤1.0mm；所述的一定密实度为砂土相对密实度Dr≥0.30、粉土孔隙比≤0.92；
(3)在所述裂隙法向约束板圆弧部分之间放置所述已密封含充填裂隙试样，用所述刚性连接杆穿过约束板对应的螺栓孔，在约束板外侧用所述螺母套入刚性连接杆进行固定；
(4)利用扭矩扳手对所述裂隙法向压缩加载装置上的螺母施加扭矩，可以改变所述充填裂隙的受力状态、开度及充填物密实度，由扭矩值可换算得出所述试样受到的径向压力，并利用游标卡尺测量裂隙张开度的变形量；
(5)将所述裂隙法向压缩加载装置和所述含预制充填裂隙试样整体放在MTS815/816电液伺服试验机上进行渗流试验，试验开始前，施加一定轴向荷载固定试样；所述的一定轴向荷载为1.0～2.0KN；
(6)选定合理的活塞运行速度，换算得到对应的渗流速度和渗流时间，所述的活塞运行速度为0.1～0.7mm·s-1，利用稳态法测试充填节理的渗透特性，水流通过充填节理和上端压头后，在侧部出水口流出，使用量杯、天平进行水量和流失物的收集测量，利用稳态法公式可以计算出渗透率；具体公式为：kf＝QfηL/AΔP,式中，kf为渗透率，mm2；Qf为单位时间渗流量,mm3·s-1；η为动力黏度，MPa·s；L为试样高度，mm；A为试样截面面积，mm2；ΔP为试样两端渗透压力差，MPa；
(7)对所述螺母扭矩值、裂隙产状、开度、粗糙度以及充填物粒度成分因素进行调整，获得不同因素影响下的充填节理渗透性能，为下一步理论分析或数值仿真提供基础试验数据的支持。
实施岩石充填裂隙渗透率测试方法的专用装置，包括：裂隙法向约束板2、螺母3、刚性连接杆4、PVC胶带和热缩管5、上透水板6、上压头7、出水口8、下透水板9、下压头10、进水口11；裂隙法向约束板2有两块，在两块裂隙法向约束板2的中部均有圆弧段以方便与标准试样紧密接触，在两块裂隙法向约束板2的四个角部有设计有螺栓孔，刚性连接杆4穿过螺栓孔，通过螺母3连接；在两块裂隙法向约束板2之间放置有含有预制充填裂隙的标准试样；在标准试样的上端顺序连接有上透水板6、上压头7，在上压头7上有出水口8；在标准试样的下端顺序连接有下透水板9、下压头10，在下压头10上有进水口11；在上透水板6、上压头7、含有预制充填裂隙的标准试样、下透水板9和下压头10外密封有PVC胶带和热缩管5。
所述裂隙法向约束板2是具有足够刚度的两块钢板，每块钢板横断面中部为圆弧段以方便与标准试样紧密接触；所述的出水口8布置在上压头侧部是为防止渗流试验中充填物流失颗粒堵塞试验机水流管路；采用PVC胶带和热缩管对上、下压头、透水板和所述含预制充填裂隙试样进行连接、包裹及密封，防止孔隙水沿试样表面流动。
下面结合附图详细阐述本发明的具体实施方式。
(1)用水泥砂浆制备含轴向贯穿裂隙的标准试样，裂隙延展面与横断面垂直且过圆心，在横断面上的迹长40mm，粗糙度JRC＝2，开度分别为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm。
(2)采用经过筛选天然河砂作为充填物对试样节理进行充填，河砂几何平均粒径分别为0.14mm、0.24mm、0.35mm、0.45mm和0.55mm，为了控制试样节理内充填环境基本相同，采用200g砝码进行压实，使得充填物压实度基本相同。
(3)图1所示裂隙法向压缩加载装置，包括含有预制充填裂隙的标准试样1、裂隙法向约束板2、螺母3、刚性连接杆4。所述裂隙法向约束板的两端矩形部分长度为100mm，宽度为50mm，厚度为10mm，圆弧部分对应的圆心角为60°，半径为25mm。所述裂隙法向约束板2的四个角部设计有四个等大的螺栓孔，直径为10mm，且每个螺栓孔的中心位置距离所述裂隙法向约束板2的端部均为25mm。所述四根刚性连接杆4长度为100mm,直径分别为8mm，分别穿过相应的螺栓孔。所述螺母3套入所述四根刚性连接杆4的两端，并用扭矩扳手拧紧。
(4)为防止渗流试验中充填物流失颗粒堵塞试验机水流管路，设计制造带有侧部出水口的上压头，具体见图3中上压头7和出水口8。
(5)采用四层PVC胶带和三层热缩管对上下压头、透水版和试样进行连接包裹，防止孔隙水沿试样表面流动，具体见图3中PVC胶带和热缩管5。
(6)将上述密封含充填裂隙试样放置在裂隙法向约束板2的圆弧部分之间，用刚性连接杆4穿过约束板角部的螺栓孔，在约束板外侧用螺母3套入刚性连接杆4进行固定。
(7)采用扭矩扳手对所述裂隙法向压缩加载装置上的螺母3施加5N·m的扭矩，改变所述充填裂隙的受力状态及充填物密实度，并利用游标卡尺测量裂隙张开度的变形量。
(8)将所述裂隙法向压缩加载装置和所述含预制充填裂隙试样整体放在MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统上进行渗流试验，施加1.5KN的轴向荷载对试样进行固定。
(9)活塞运行速度选用0.5mm/s，对应的渗流速度为9.82×102mm3/s，活塞有效行程为85mm，整个渗流过程为170s，水流通过节理和上端压头后，采用一个烧杯对水和流失物进行收集，然后利用稳态法公式可以计算出渗透率。具体公式为：kf＝QfηL/AΔP,式中，kf为渗透率，mm2；Qf为单位时间渗流量,mm3·s-1；η为动力黏度，MPa·s；L为试样高度，mm；A为试样截面面积，mm2；ΔP为试样两端渗透压力差，MPa。
(10)根据上述试验条件获得的渗透率随充填物几何平均粒径、节理开度的变化曲线如下图4和图5所示。
Claims (2)
1.一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法，其特征是：具体步骤如下：
（1）制备含单一预制轴向贯穿裂隙的标准岩石或相似材料试样，所述裂隙在试样横断面上的迹长、裂隙产状、开度和粗糙度都可以调节；所述的相似材料为水泥砂浆或树脂；
（2）制备特定粒度成分的充填物，并按一定密实度填满所述裂隙；所述的充填物为砂土或粉土；所述的特定粒度的最大粒径dmax≤1.0mm；所述的一定密实度为砂土相对密实度Dr≥0.30、粉土孔隙比≤0.92；
（3）在裂隙法向约束板圆弧部分之间放置已密封含充填裂隙试样，用刚性连接杆穿过约束板对应的螺栓孔，在约束板外侧用螺母套入刚性连接杆进行固定；
（4）利用扭矩扳手对裂隙法向压缩加载装置上的螺母施加扭矩，可以改变所述充填裂隙的受力状态、开度及充填物密实度，由扭矩值可换算得出所述试样受到的径向压力，并利用游标卡尺测量裂隙张开度的变形量；
（5）将所述裂隙法向压缩加载装置和所述含预制充填裂隙试样整体放在MTS815/816电液伺服试验机上进行渗流试验，试验开始前，施加一定轴向荷载固定试样；所述的一定轴向荷载为1.0~2.0KN；
（6）选定合理的活塞运行速度，换算得到对应的渗流速度和渗流时间，所述的活塞运行
速度为0.1~0.7mm∙s-1，利用稳态法测试充填节理的渗透特性，水流通过充填节理和上端压
头后，在侧部出水口流出，使用量杯、天平进行水量和流失物的收集测量，利用稳态法公式
可以计算出渗透率；具体公式为：,式中，kf为渗透率，mm2；Qf为单位时间渗
流量,mm3∙s-1；η为动力黏度，MPa∙s；L为试样高度，mm；A为试样截面面积，mm2；ΔP为试样两
端渗透压力差，MPa；
（7）对所述螺母扭矩值、裂隙产状、开度、粗糙度以及充填物粒度成分因素进行调整，获得不同因素影响下的充填节理渗透性能。
2.实施权利要求1所述的可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法的专用装置，其特征是：专用装置包括：裂隙法向约束板、螺母、刚性连接杆、PVC胶带和热缩管、上透水板、上压头、出水口、下透水板、下压头、进水口；裂隙法向约束板有两块，在两块裂隙法向约束板的中部均有圆弧段以方便与标准试样紧密接触，在两块裂隙法向约束板的四个角部有设计有螺栓孔，刚性连接杆穿过螺栓孔，通过螺母连接；在两块裂隙法向约束板之间放置含有预制充填裂隙的标准试样；在标准试样的上端顺序连接有上透水板、上压头，在上压头上有出水口；在标准试样的下端顺序连接有下透水板、下压头，在下压头上有进水口（11）；在上透水板、上压头、含有预制充填裂隙的标准试样、下透水板和下压头外密封有PVC胶带和热缩管。
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