CN108982214A - 脆性岩石损伤程度测试方法及岩石渗透系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了脆性岩石损伤程度测试方法及岩石渗透性变化测试装置，包括气体注入装置、液体注入装置、四个以上的多个橡胶皮套，所述橡胶皮套与气体注入装置和液体注入装置并联连接；测试步骤包括特征应力加载、气体渗透性测试和液体渗透性测试。本发明能够对多个岩样进行气体和液体渗透性变化连续同时测试，保证了外界环境条件的统一，并且获得了不同特征应力对应的渗透性变化规律，实现了损伤程度的定量评价。同时，该测试方法方便快捷，可以为现场支护调整提供最直接的依据。
Description
技术领域
本发明涉及脆性岩石损伤程度测试方法及岩石渗透系数测试装置，主要适用于为水利水电工程、交通、矿山等深埋地下工程服务的岩石力学试验，以帮助评估不同特征强度对应的损伤程度，为洞室稳定性评价和支护的优化设计提供意见。
背景技术
脆性岩石的破坏损伤机制已经受到广泛关注，特别随着测试技术的进步，对脆性岩石内部的损伤特征有了全新的认识。根据不同应力水平下岩石内部损伤裂纹的扩展，岩石的应力应变曲线一般可以分为4个阶段：
（1）压密阶段。对应着岩石内部已有裂纹（包括原生裂纹和卸荷产生的裂纹），在轴向压力下被压密，应力应变曲线呈现上凹，出现非线性变形，此时的应力称为闭合应力，大约为峰值强度的10%。
（2）弹性阶段。轴向应力和轴向应变关系近似成线性关系，变形主要为弹性变形，但也包含有少量不可恢复的塑性变形，应力应变关系近似服从虎克定律。在这一阶段，裂隙面闭合后之间的摩擦力抑制了微裂隙面之间的相互错动，从而使得变形主要为弹性。
（3）裂纹稳定扩展阶段。轴向压力达到起裂应力时，岩石内即开始出现微裂纹，即开始出现破裂现象，此时的应力水平大约是岩石峰值强度的40%左右。
（4）裂纹非稳定扩展阶段。轴向压力继续加大到损伤应力（大约为80%的岩石峰值），岩块的裂纹扩展方式开始进入到非稳定阶段，对应的应力水平称为损伤应力。在这个阶段裂纹的形成和扩展形成的体积超过了应力压缩形成的弹性变形，开始出现扩容现象。
上述的闭合应力、起裂应力、损伤应力被称为特征应力，特征应力与其内部损伤裂纹的扩展紧密相连。而在这整个过程中，特征应力对应的损伤程度对岩石破裂过程有着很好的指示意义。
目前的渗透性测试只针对完整岩石，没有考虑不同损伤程度岩石的渗透性变化，也无法对各种特征应力下的岩样的损伤度进行条件一致的比较，来获得更准确的工程应用指引。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种脆性岩石损伤程度测试方法，能直接测试不同特征应力下损伤程度。为此本发明采用以下技术方案：
脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）特征应力加载
对三个岩样分别加载至闭合应力、起裂应力和损伤应力，并记录下加载的应力值；
（2）气体渗透性测试
将上述三个岩样和一个未加载的岩样表面分别包裹橡胶皮套，放置于充满有液压油的密闭容器中，橡胶皮套连接气体注入装置和液体注入装置；
先分别向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的气体，测试四个岩样的气体渗透性变化；
（3）液体渗透性测试
气体渗透性测试完毕后，关闭进气阀门，向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的液体，继续进行液体渗透性测试，测试四个岩样的液体渗透性变化；
（4）损伤程度对比
将四个岩样的气体渗透性和液体渗透性进行对比，便可以发现渗透性随特征应力的变化规律，进而反映岩样损伤程度的演化过程。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可同时采用以下进一步的技术方案或对这些进一步的技术方案组合使用：
所述岩石的峰值强度采用以下方法获得：测试5~10个岩样的峰值强度，取平均值作为岩石峰值强度的取值。
闭合应力、起裂应力和损伤应力分别为岩石峰值强度的10%、40%和80%。
步骤（2）中，注入气体的压力为0.2~0.5MPa。
步骤（2）中岩样的气体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
步骤（3）中，所述液体采用水。
步骤（3）中，注入液体的压力为0.2~0.5MPa。
步骤（3）中岩样的液体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
本发明的第二个目的是提供一种岩石渗透性变化测试装置，能直接测试不同特征应力下岩石损伤程度。为此本发明采用以下技术方案：
岩石渗透性变化测试装置，其特征在于它包括气体注入装置、液体注入装置、四个以上的多个橡胶皮套，所述橡胶皮套与气体注入装置和液体注入装置并联连接；所述气体注入装置和液体注入装置分别有阀门以分别控制气体注入装置和液体注入装置与各个橡胶皮套的通断；
所述岩石渗透性变化测试装置还设置有充满液压油的密闭容器，所述多个橡胶皮套在测试试验时处于所述密闭容器中；
各个橡胶皮套分别连接有出口管路，且在出口管路上设置流量表。
进一步地，所述气体注入装置包括气体压力容器、储水密闭容器，气体压力容器通过第一输气管路与储水密闭容器连接，储水密闭容器的上部气腔与第二输气管路连接，第二输气管路再与各个橡胶皮套的注气管路连接，第一输气管路、第二输气管路、各个注气管路分别设置有阀；
所述液体注入装置包括加压水泵、液体输出管路和各个橡胶皮套的注液管路，加压水泵和液体输出管路连接，液体输出管路再和各个气囊的注液管路连接；液体输出管路和各个橡胶皮套的注液管路设置有阀；
各个橡胶皮套的注气管路和注液管路为同一根管路；
第二输气管路和注液管路连接后再与各个橡胶皮套的注气和注液管路连接。
本发明能够对多个岩样进行气体和液体渗透性变化连续同时测试，保证了外界环境条件的统一，并且获得了不同特征应力对应的渗透性变化规律，实现了损伤程度的定量评价。同时，该测试方法方便快捷，可以为现场支护调整提供最直接的依据。
本发明通过气体和液体两种渗透性实验同时测试承受过不同特征应力的岩样的渗透性，评价岩石的损伤程度，不仅可以避免外界条件变化对岩石的影响，也可以对岩石的损伤程度进行双重判别，结果更加准确，也更方便现场参考应用。
本发明的岩石渗透性变化测试装置，不仅能够对多个岩样进行气体和液体渗透性变化连续同时测试，而且，管路简单，容易操作，能更准确地保证各试样的条件一致性。
附图说明
图1 为本发明岩石渗透性变化测试装置的示意图。
具体实施方式
参照附图。本发明提供的脆性岩石损伤程度测试方法及岩石渗透性变化测试装置，能用于为水利水电工程、交通、矿山等深埋地下工程服务的岩石力学试验，以帮助评估不同特征强度对应的损伤程度，为洞室稳定性评价和支护的优化设计提供意见。
所述岩石渗透性变化测试装置包括气体注入装置、液体注入装置、四个以上的多个橡胶皮套1，所述橡胶皮套1与气体注入装置和液体注入装置并联连接，已分别进行气体渗透试验和在气体渗透试验结束后能够不取出岩样，直接进行液体渗透试验。所述气体注入装置和液体注入装置分别有阀门510、610以分别控制气体注入装置和液体注入装置与各个橡胶皮套的通断。
所述岩石渗透性变化测试装置还设置有充满液压油的密闭容器2，所述多个橡胶皮套1在测试试验时处于所述密闭容器2中。
各个橡胶皮套分别连接有出口管路12，且在各出口管路12上分别设置流量表301、302、303、304，所述出口管路，可以是气液分开即气液各自有其出口管路，也可如本实施例这样气液公用一根管路。
所述气体注入装置包括气体压力容器4、储水密闭容器5，气体压力容器4通过第一输气管路41与储水密闭容器5连接，储水密闭容器5的上部气腔与第二输气管路51连接，第二输气管路51再与各个橡胶皮套1的注气管路11连接，第一输气管路41、第二输气管路51、各个注气管路11分别设置有阀410、510、110。
所述液体注入装置包括加压水泵6、液体输出管路61和各个橡胶皮套1的注液管路，加压水泵6和液体输出管路61和各个气囊的注液管路11连接；液体输出管路61和各个橡胶皮套的注液管路11设置有阀610、110。
本实施例中，各个橡胶皮套1的注气管路和注液管路为同一根管路，可以命名为注气和注液管路，相应地，在该管路上的阀也可以是气液公用。此外，也可以是各个橡胶皮套1的注气管路和注液管路为各自的，并不公用一根管路。
在本实施例中，第二输气管路51和液体输出管路61连接后再与各个橡胶皮套1的注气和注液管路连接。第二输气管路51和液体输出管路61分别设置流量表，也可如本实施例，在第二输气管路51和液体输出管路61连为一路后在与各个橡胶皮套1的注气和注液管路连接的管路上设置流量表32。
所述储水密闭容器5的盛水部分还通过第三连接管路52与液体输出管路61连接，以便补充水，第三连接管路52上设置阀520。
本发明的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）特征应力加载
对三个岩样101、102、103分别加载至闭合应力、起裂应力和损伤应力，并记录下加载的应力值。
所述岩石的峰值强度采用以下方法获得：测试5~10个岩样的峰值强度，峰值强度可采用MTS、RMT等方法测得，取平均值作为岩石峰值强度的取值。
闭合应力、起裂应力和损伤应力分别为岩石峰值强度的10%、40%和80%。
（2）气体渗透性测试
将上述三个岩样101、102、103和一个未加载的岩样104表面分别包裹橡胶皮套1，放置于密闭容器2中，密闭容器中充满液压油以保证密闭性；
上述三个岩样101、102、103在未加载应力前形状、质量相同，也与岩样104形状、质量相同。
初始态中，各阀门处于关闭状态。此时，打开阀门510和所有的阀门110，先分别向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的气体，测试四个岩样的气体渗透系数；
注入气体的压力为0.2~0.5MPa。
岩样的气体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
（3）液体渗透性测试
气体渗透性测试完毕后，关闭阀门510，打开阀门610，在不取出岩样的情况下，直接向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的液体，继续进行液体渗透性测试，测试四个岩样的液体渗透系数；
先进行气体渗透性测试，再进行液体渗透性测试，有助于提高结果的准确性，避免液体对岩样产生软化作用，影响气体测试的准确性。
所述液体可以采用水。注入液体的压力为0.2~0.5MPa。
岩样的液体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
（4）损伤程度对比
将四个岩样的气体渗透性和液体渗透性进行对比，便可以发现渗透性随特征应力的变化规律，进而反映岩样损伤程度的演化过程。
对比输入流量表32和输出流量表3的读数，可以发现不同特征应力下，岩石具有不同的损伤程度，即完整岩石基本无渗透性，即输出流量表304基本无读数；闭合压力下岩石渗透性进一步减少，即输出流量表301无读数进一步减少；启裂应力下岩石渗透性开始增加，即输出流量表302读数开始增加；损伤应力下岩石渗透性快速增加，即输出流量表303读数接近输入流量表读数32。如果流量变化偏离这种规律，表面其中有一个特征应力的实际值需要修正。
以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）特征应力加载
对三个岩样分别加载至闭合应力、起裂应力和损伤应力，并记录下加载的应力值；
（2）气体渗透性测试
将上述三个岩样和一个未加载的岩样表面分别包裹橡胶皮套，放置于充满有液压油的密闭容器中，橡胶皮套连接气体注入装置和液体注入装置；
先分别向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的气体，测试四个岩样的气体渗透性变化；
（3）液体渗透性测试
气体渗透性测试完毕后，关闭进气阀门，向四个岩样的橡胶皮套内腔注入同等压力的液体，继续进行液体渗透性测试，测试四个岩样的液体渗透性变化；
（4）损伤程度对比
将四个岩样的气体渗透性和液体渗透性进行对比，便可以发现渗透性随特征应力的变化规律，进而反映岩样损伤程度的演化过程。
2.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于所述岩石的峰值强度采用以下方法获得：测试5~10个岩样的峰值强度，取平均值作为岩石峰值强度的取值。
3.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于闭合应力、起裂应力和损伤应力分别为岩石峰值强度的10%、40%和80%。
4.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于步骤（2）中，注入气体的压力为0.2~0.5MPa。
5.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于步骤（2）中岩样的气体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
6.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于步骤（3）中，所述液体采用水。
7.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于步骤（3）中，注入液体的压力为0.2~0.5MPa。
8.如权利要求1所述的脆性岩石损伤程度测试方法，其特征在于步骤（3）中岩样的液体渗透性变化根据比较从不同橡胶皮套输出的气体流量差别获得。
9.岩石渗透系数测试装置，其特征在于它包括气体注入装置、液体注入装置、四个以上的多个橡胶皮套，所述橡胶皮套与气体注入装置和液体注入装置并联连接；所述气体注入装置和液体注入装置分别有阀门以分别控制气体注入装置和液体注入装置与各个橡胶皮套的通断；
所述岩石渗透性测试装置还设置有充满液压油的密闭容器，所述多个橡胶皮套在测试试验时处于所述密闭容器中；
各个橡胶皮套分别连接有出口管路，且在出口管路上设置流量表。
10.如权利要求9所述的岩石渗透性测试装置，其特征在于所述气体注入装置包括气体压力容器、储水密闭容器，气体压力容器通过第一输气管路与储水密闭容器连接，储水密闭容器的上部气腔与第二输气管路连接，第二输气管路再与各个橡胶皮套的注气管路连接，第一输气管路、第二输气管路、各个注气管路分别设置有阀；
所述液体注入装置包括加压水泵、液体输出管路和各个橡胶皮套的注液管路，加压水泵和液体输出管路连接，液体输出管路再和各个气囊的注液管路连接；液体输出管路和各个橡胶皮套的注液管路设置有阀；
各个橡胶皮套的注气管路和注液管路为同一根管路；
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