CN108956412B - 一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，包括下述步骤：选取高海拔寒区岩石试样，烘至恒重后冷却、对试样饱水处理；饱水后进行冻融循环处理，测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，绘制岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线，对该曲线进行拟合；定义冻融损伤量D计算公式为：
其中，k0为试样未冻融前的气体渗透率，ki为试样冻融循环i次后的气体渗透率，i＝1、2、3、4…；绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线，并通过函数对该曲线进行拟合，根据该拟合函数确定任意次冻融循环造成的岩石损伤程度。该方法通过岩石的气体渗透率来定义岩石的冻融损伤量，测试结果更精确、科学、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石损伤程度的确定方法，特别涉及一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，属于岩石工程领域。
背景技术
冻融风化作用下的岩石损伤程度，是青藏高原高海拔寒冷地区岩石工程长期安全性考虑的最重要因素之一，而如何确定不同冻融循环引起岩石损伤量的大小，是评估岩石工程长期安全性所面临的难题。
目前很多学者主要用冻融后岩石的力学参数(如强度、弹性模量)定义岩石的冻融损伤量，但是，岩石作为各向异性材料，力学特性离散性较大；也有一些学者采用冻融后岩石的纵波波速来定义岩石的冻融损伤量，但纵波波速对于冻融次数敏感性较差。
因此，目前缺乏一种精确、科学的针对高海拔寒冷地区岩石冻融损伤量的确定方法。
发明内容
发明目的：针对现有技术中缺乏精确、科学的冻融损伤量确定方法，本发明提供一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法。
技术方案：本发明所述的一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，包括下述步骤：
步骤1，选取高海拔寒区岩石试样，先烘至恒重，冷却至室温后进行饱水处理；
步骤2，对饱水后的试样进行冻融循环处理，测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，绘制岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线，并进行曲线拟合；
步骤3，定义冻融损伤量D计算公式为：
其中，k0为试样未冻融前的气体渗透率，ki为试样冻融循环i次后的气体渗透率，i＝1、2、3、4…；绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线，进行曲线拟合，根据拟合函数确定任意次冻融循环造成的岩石损伤程度。
上述步骤1中，选取高海拔寒区岩石试样的方法为：首先自高海拔寒区工程现场典型岩层同一块新鲜完整岩石中取多个试样，将所有试样顺着原岩层方向打磨成同样大小的形状结构，然后剔除视觉上有缺陷、节理的试样，并剔除密度差异较大的试样、超声波速差异较大的试样以及内部有缺陷的试样，获得一批近似均质的岩石试样。
试样选取完成后，可通过下述步骤将试样烘至恒重：把试样放入105～110℃的烘箱中烘24～48h后称量试样重量，之后每隔12h称量一次试样重量，直到试样重量不再变化为止，精确度最好为0.001g。
较优的，通过真空饱和装置对所述试样进行强制饱水，其具体方法为：将试样放入干燥的真空饱和装置，用真空泵将其内抽成真空并关上阀门，通过大气压力将蒸馏水压进真空饱和装置并关上阀门，再用真空泵抽真空后静置。
上述步骤2中，采用自动冻融循环机对所述试样进行冻融处理，处理方法为：首先根据所取试样所在地近20年内冬季的平均温度和其他季节的平均温度，设定自动冻融循环机的冻结温度和融化温度，其次根据《水电水利工程岩石试验规程DL/T 5368-2007》确定冻结时间；最后根据岩石工程的重要程度确定最大冻融循环次数。
具体的，可通过下述步骤测量试样的气体渗透率：从冻融循环次数最少的试样开始，将经过冻融处理后的试样放入压力室中，施加围压，所施加的围压根据试样所在地的地应力确定其范围；待围压稳定后，设定渗压为0.5～1.0MPa，测量试样的气体渗透率。进一步的，对于相同冻融循环次数的试样，进行至少三次相同围压相同渗压下气体渗透率的测试，对测试结果取平均值作为该冻融循环次数下试样的气体渗透率。
上述步骤2中，优选采用指数函数对岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线进行拟合。
步骤3中，也可采用指数函数对岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线进行拟合。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明将冻融循环引起的岩石的损伤量与岩石的渗透率结合起来，通过测量岩石不同冻融循环次数后的渗透率，并对其结果进行拟合，更直观、快捷的确定出冻融循环后岩石损伤量的大小，从而可有效的预测高海拔和高寒地区实际工程中冻融循环对于岩石的损伤程度；与采用力学参数和纵波波速相比，通过岩石的气体渗透率来定义岩石的冻融损伤量，可有效克服由于各向异性带来的离散性大、测试结果不准确的问题，测试结果更精确、科学、可靠，为高海拔和高寒地区的岩石工程安全评估提供一种简单有效的方法和充分的科学依据，对实际工程有极大的运用价值。
附图说明
图1为实施例中岩石试样的渗透率与冻融次数的函数关系拟合曲线；
图2为实施例中岩石试样的损伤量与冻融次数的函数关系拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述的一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，将冻融循环引起的岩石的损伤量与岩石的渗透率结合起来，与传统方法采用力学参数和纵波波速标准冻融损伤量相比，通过岩石的气体渗透率来定义岩石的冻融损伤量，可有效克服由于各向异性带来的离散性大、测试结果不准确的问题，测试结果更精确、科学、可靠。
该方法具体包括下述步骤：
步骤1，选取高海拔寒区岩石试样，先烘至恒重，然后冷却至室温，对试样真空饱水处理；
步骤2，对饱水后的试样进行冻融循环处理，测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，绘制岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线，并通过函数对该曲线进行拟合；本步骤中，可采用申请人在专利号为ZL201340085675.6、名称为“一种致密岩石材料气体渗透率测试装置及测算方法”的发明专利公开的致密岩石材料气体渗透率测试装置来测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，该装置的测试精度可达10-24m2，可使测出的不同冻融循环次数后试样气体渗透率的差别更精确。
步骤3，定义冻融损伤量D计算公式为：
其中，k0为试样未冻融前的气体渗透率，ki为试样冻融循环i次后的气体渗透率，i＝1、2、3、4…；绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线，并通过函数对该曲线进行拟合，根据该拟合函数确定任意次冻融循环造成的岩石损伤程度。
以测试高海拔地区某水电站坝基岩石的冻融损伤程度为例，对本发明的一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法进行说明。
(1)首先自高海拔地区某水电站坝基典型岩层同一块新鲜完整岩石中取若干试样，将所有试样顺着原岩层方向磨成高度为50mm，直径为50mm的圆柱体，剔除视觉上有缺陷、节理的试样；测量试样的高度、直径、质量来计算试样的密度，剔除密度差异较大的试样，用非金属超声波检测仪测得试样的超声波速，剔除差异较大的试样，并用CT扫描并剔除内部有缺陷的试样，最终获得一批近似均质的试样。
(2)将选好的试样放进105℃的烘箱中烘至恒重；
称量试样的初始重量，精确度为0.001g；把试样放入105℃的烘箱中烘48h后再称量试样重量，之后每隔12h称量一次试样重量，直到试样重量不再变化为止，精确度为0.001g。
(3)烘干的试样冷却至室温，然后通过真空饱和装置将试样强制饱水；
先将试样放入干燥的真空饱和缸，用真空泵将真空饱和缸内抽成真空并关上阀门，通过大气压力将蒸馏水经过管道压进真空饱和装置并关上阀门，再用真空泵抽真空饱和缸一段时间，静置真空饱和缸48小时。
(4)将真空饱和后的试样放入自动冻融循环机(+40～-40℃)进行冻融循环处理；
根据该岩石工程所在地近20年内冬季的平均温度和其他季节的平均温度确定融化温度，设定自动冻融循环机的冻结温度为-25℃和融化温度为20℃；根据《水电水利工程岩石试验规程DL/T 5368-2007》确定冻结时间为4小时；根据该岩石工程的重要程度确定最大冻融循环次数为200次。
(5)从冻融循环次数最少的试样开始，借助于申请人在专利号为ZL201340085675.6、名称为“一种致密岩石材料气体渗透率测试装置及测算方法”的发明专利中公开的致密岩石材料气体渗透率测试装置测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率；
按照试样冻融循环次数分别为0、50、100、150、200次的顺序，将试样放入压力室中，加围压至与工程实际相符，本次试验围压为5.0MPa；待围压稳定后，设定渗压为1.0MPa，测量试样的气体渗透率。
相同冻融循环次数的试样进行至少三次渗透率的测试取平均值。
(6)绘制该岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线，如图1，并采用指数函数y＝19.00-17.54exp(-x/76.32)该曲线进行拟合。
(7)定义冻融损伤量D计算公式为：
其中：ki为岩石冻融循环i(i＝1、2、3、4…)次后的渗透率，k0为岩石未冻融的渗透率。
绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线，如图2，并采用指数函数y＝0.90-0.90*exp(-x/20.79)对损伤量随冻融循环次数的变化曲线进行拟合。
(8)根据岩石冻融损伤量随冻融循环次数拟合函数y＝0.90-0.90*exp(-x/20.79)，可确定任意次冻融循环造成的岩石损伤量。
Claims (9)
1.一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，选取高海拔寒区岩石试样，先烘至恒重，冷却至室温后进行饱水处理；
步骤2，对饱水后的试样进行冻融循环处理，测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率，绘制岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线，并进行曲线拟合；
步骤3，定义冻融损伤量D计算公式为：
其中，k0为试样未冻融前的气体渗透率，ki为试样冻融循环i次后的气体渗透率，i＝1、2、3、4…；绘制岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线，进行曲线拟合，根据拟合函数确定任意次冻融循环造成的岩石损伤程度。
2.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤1中，根据下述步骤选取高海拔寒区岩石试样：首先自高海拔寒区工程现场典型岩层同一块新鲜完整岩石中取多个试样，将所有试样顺着原岩层方向打磨成同样大小的形状结构，然后剔除视觉上有缺陷、节理的试样，剔除密度差异较大的试样、超声波速差异较大的试样以及内部有缺陷的试样，获得一批近似均质的岩石试样。
3.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤1中，通过下述步骤将试样烘至恒重：把试样放入105～110℃的烘箱中烘24～48h后称量试样重量，之后每隔12h称量一次试样重量，直到试样重量不再变化为止。
4.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤1中，通过真空饱和装置对所述试样进行强制饱水，其具体方法为：将试样放入干燥的真空饱和装置，用真空泵将其内抽成真空并关上阀门，通过大气压力将蒸馏水压进真空饱和装置并关上阀门，再用真空泵抽真空后静置。
5.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤2中，采用自动冻融循环机对所述试样进行冻融处理，处理步骤为：首先根据所取试样所在地近20年内冬季的平均温度和其他季节的平均温度，设定自动冻融循环机的冻结温度和融化温度，其次根据《水电水利工程岩石试验规程DL/T 5368-2007》确定冻结时间；最后根据岩石工程的重要程度确定最大冻融循环次数。
6.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，根据下述步骤测量不同冻融循环次数后试样在相同围压相同渗压下的气体渗透率：从冻融循环次数最少的试样开始，将经过冻融处理后的试样放入压力室中，施加围压，所施加的围压根据试样所在地的地应力确定其范围；待围压稳定后，设定渗压为0.5～1.0MPa，测量试样的气体渗透率。
7.根据权利要求6所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，对于相同冻融循环次数的试样，进行至少三次相同围压相同渗压下气体渗透率的测试，对测试结果取平均值作为该冻融循环次数下试样的气体渗透率。
8.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤2中，采用指数函数对岩石的气体渗透率随不同冻融循环次数的变化曲线进行拟合。
9.根据权利要求1所述的确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法，其特征在于，步骤3中，采用指数函数对岩石冻融损伤量随冻融循环次数的变化曲线进行拟合。
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