CN111707531A - 一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩石工程技术领域的一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，包括：对岩石试样进行饱和试验，使岩石试样处于饱和状态；对处于饱和状态的岩石试样，开展复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，并采用稳态法进行渗透率测试，获得加载全过程应力应变曲线、轴向应变‑渗透率演化曲线。本发明能够根据试验结果研究地下岩体在复杂应力路径下的短长期渗流应力耦合特性，揭示地下岩石工程的渗流‑应力耦合作用和渗透演化机理，试验结果更接近真实值。
Description
技术领域
本发明属于岩石工程技术领域，具体涉及一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法。
背景技术
在大型地下工程的施工过程中经常会遇到各种复杂地质条件和应力加卸载问题，例如水利水电工程、地下石油煤层开采工程等。对于深埋地下的岩石类材料，通常会遇到水-岩石或者气体-岩石的渗流应力耦合问题，材料的渗流规律研究是多场耦合研究的关键问题之一，特别是工程岩体由于开挖、支护、地下水位变化等扰动因素造成的岩体渗透性短长期演化问题以及长期稳定性问题，关系到整个工程的安全和运营。现有技术中对于复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法存在岩石试样与地下岩石实际环境不匹配，试验结果误差大等问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，能在试验条件下使岩石试样的受力状态更接近真实岩石的受力状态，可以模拟实际工程中复杂应力状态下岩石等材料的变形渗透演化过程，试验结果更接近真实值。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，包括：对岩石试样进行饱和试验，使岩石试样处于饱和状态；对处于饱和状态的岩石试样，开展复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，并采用稳态法进行渗透率测试，获得加载全过程应力应变曲线、轴向应变-渗透率演化曲线。
进一步地，所述复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验通过在三轴压缩试验中分别采用偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环来实现，具体步骤为：对处于饱和状态的岩石试样施加初始围压和渗透压力p；进行偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环；进行下一级偏应力加卸载，重复此加载过程3-4次直至岩石试样破坏。
进一步地，在所述偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环中根据岩石试样的峰值强度将预加卸载的力分成多个等级。
进一步地，在进行所述复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验的过程中，保持岩石试样处于排水状态。
进一步地，所述饱和试验包括气体饱和试验或饱水试验。
进一步地，所述气体饱和试验具体为：先将岩石试样恒温120℃烘干24h，再通过气体渗透系统持续输入惰性气体直到检测到输出的气压保持不变。
进一步地，所述饱水试验具体为：先通过真空泵对岩石试样进行4h的干抽和8h的湿抽，然后放入蒸馏水中浸泡4h，再将岩石试样放入三轴伺服仪中施加渗透水压直至出水端有稳定水流出现。
进一步地，所述采用稳态法进行渗透率测试，包括：每加载或卸载到设定的偏压应力、围压和渗透水压后停留10分钟，待稳定后渗流设定的时间，记录这段时间内的渗水体积即可测其渗透率，则第i个记录间隔内渗透率的求解公式为：
式中：kn+1为第n+1个记录间隔内岩石渗透率；Vn为第n个记录点的渗水体积量；Vn+1为第n+1个记录点的渗水体积量；Δtn+1为第n个和第n+1个记录点之间的时间间隔；ΔPn+1为Δtn+1内试样两端水头压力差；H为试样的长度，μ为水的粘滞系数；A为渗透截面的面积。
进一步地，在采用稳态法进行渗透率测试时，渗透介质选取蒸馏水或惰性气体，当岩石试样的渗透率低于10-15m2时，使用惰性气体。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过对标准岩石试样进行饱和试验，通过在三轴压缩试验中分别采用偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环实现复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，能够根据试验结果研究地下岩体在复杂应力路径下的短长期渗流应力耦合特性，揭示地下岩石工程的渗流-应力耦合作用和渗透演化机理，试验结果更接近真实值，可为工程修建和长期运行过程中对地下岩层的渗透性合理评估和围压变形控制问题提供参考，有重要工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法的复杂应力加卸载路径示意图；
图2是常规三轴渗流应力耦合试验加载路径示意图；
图3是本发明实施例提供的一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法的三轴复杂加载路径压缩条件下岩石应力应变关系和渗透演化规律(初始围压10MPa，渗压2MPa)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，包括：对岩石试样进行饱和试验，使岩石试样处于饱和状态；对处于饱和状态的岩石试样，采用渗流应力耦合三轴系统，开展复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，并采用稳态法进行渗透率测试，获得加载全过程应力应变曲线、轴向应变-渗透率演化曲线。
试验用岩石为二长花岗岩，取自某地下水封储油洞钻孔岩芯，经测试孔隙率为0.77％。根据《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)、《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—2013)以及国际岩石力学学会(ISRM)推荐的方法与标准，制备二长花岗岩的标准圆柱状样，尺寸为50mm×100mm(直径×高度)，并在恒温恒湿的环境下保存，尽量减少外界对岩样的扰动。
试验仪器采用岩石三轴伺服仪。主要由加压系统、三轴压力室、计算机控制系统、数据采集系统及水压/气压控制系统等装置组成，具有应力控制、应变控制、流量控制3种加载方式。
对岩石试样进行饱和试验，使岩石试样处于饱和状态；饱和试验包括气体饱和试验或饱水试验；气体饱和试验具体为：先将岩石试样恒温120℃烘干24h，再通过与岩石三轴伺服仪连接的气体渗透系统持续输入惰性气体直到检测到输出的气压保持不变，即表示岩石试样已经气体饱和，试验过程通过水压/气压控制系统控制。饱水试验具体为：先通过真空泵对岩石试样进行4h的干抽和8h的湿抽，然后放入蒸馏水中浸泡4h，再将岩石试样放入三轴伺服仪中施加渗透水压直至出水端有稳定水流出现，即岩石试样已经处于水饱和状态，试验过程通过水压/气压控制系统控制。
复杂应力路径加卸载试验前，需要根据常规三轴试验结果预测试样的峰值强度，以确定每级的加卸载应力值，并对岩石进行饱水试验使得岩石试样处于饱和状态。如图2所示，是常规三轴渗流应力耦合试验加载路径示意图；在5MPa、10MPa和15MPa三种围压条件下常规三轴渗流应力耦合压缩试验的加载路径，加载方案如表1所示：
表1：常规三轴渗透应力耦合压缩试验加载方案
对处于饱和状态的岩石试样，开展复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时和蠕变试验，并采用稳态法进行渗透率测试。复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验通过在三轴压缩试验中分别采用偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环来实现，如图1所示，具体步骤为：
对处于饱和状态的岩石试样施加初始围压，即σ1＝σ2＝σ3，三个方向的应力保持相等加载至a点，并施加渗透压力p至b点，加载路径如图为o→a→b；进行偏压加卸载循环，由图中b点应力状态加载至c点，接着卸载至d点；同理，围压加卸载循环的加载路径为d→e→d；渗透压力加卸载循环的加载路径为d→f→d；进行下一级偏应力加载，即图中d点加载至g点，重复此加载过程3-4次直至岩石试样破坏。
在排水条件下施加初始围压和渗透压力至预定值；保持围压和初始渗透压力恒定，选取一定的轴向应变速率加载偏压；当偏压(或轴向应力)到达给定的水平，此时对应岩样某个水平的损伤，进行轴向应力加卸载循环；在轴向偏压卸载至某个预定的水平后，将其保持在此水平；然后，进行围压加卸载循环；完成围压加卸载试验后，保持轴向和侧向压力恒定，在岩样进水端施加孔隙水压力，最后卸载孔压至初始值；加载偏压至第二级偏压力水平，进入下一阶段偏压，围压和孔压加卸载过程。重复前面的操作直至完成所有循环，最后将试样加载破坏。具体试验方案见表2：
表2：复杂应力路径三轴渗透应力耦合压缩试验加载方案
注：σc为常规加载路径下渗流应力耦合三轴压缩试验峰值强度。
整个试验过程保持岩石试样处于排水状态，同时采用稳态法进行渗透率测试，测定岩石试样复杂应力加卸载循环过程的渗透率，包括：每加载或卸载到某个设定的偏压应力、围压和渗透水压后停留10分钟，待稳定后渗流一段时间，记录这段时间内的渗水体积，测其渗透率，则第i个记录间隔内渗透率的求解公式为：
式中：kn+1为第n+1个记录间隔内岩石渗透率(m2)；Vn为第n个记录点的渗水体积量(m3)；Vn+1为第n+1个记录点的渗水体积量(m3)；Δtn+1为第n个和第n+1个记录点之间的时间间隔(s)；ΔPn+1为Δtn+1内试样两端水头压力差(Pa)；H为试样的长度(m)，μ为水的粘滞系数(Pa·s)；A为渗透截面的截面积(m2)；
渗透介质可以选取蒸馏水和惰性气体(如氦气等)，当材料为低渗透岩石时，水渗效果较差，使用惰性气体进行渗透测试的试验结果较精确；当岩石试样的渗透率低于10- 15m2时，使用惰性气体。
以初始围压10MPa，渗压2MPa的三轴复杂应力加载路径获得加载全过程应力应变曲线、轴向应变-渗透率演化曲线，如图3所示，图中，曲线1是复杂加卸载条件下体积应变与偏应力变化曲线；曲线2是复杂加卸载条件下环向应变与偏应力变化曲线；曲线3是复杂加卸载条件下轴向应变与偏应力变化曲线；曲线4是复杂加卸载条件下轴向应变与渗透率变化曲线。在轴压循环加卸载过程中，由于岩石内部微裂隙扩展产生塑性变形，10MPa围压下的轴向应变、侧向应变和体积应变回滞环都有不断向前“迁移”的现象。随着偏压加载应力水平的提高，塑性应变不断扩大，应力应变的回滞环迁移的更加明显。当应力水平超过体积扩容拐点应力，大量裂纹产生和相互贯通，岩石产生较大塑性应变，应变回滞环迁移程度加剧。而在复杂应力加卸载过程中渗透性表现出类似的回滞环规律。其中加载的渗透率都小于随后卸载的渗透率，围压加载会降低岩石的渗透性，在岩石发生破坏时，渗透率达到最大，在峰后阶段，由于形成稳定的渗透通道，渗透率有所降低。本实施例通过对标准岩石试样进行饱和试验，通过在三轴压缩试验中分别采用偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环实现复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，能够根据试验结果研究地下岩体在复杂应力路径下的短长期渗流应力耦合特性，揭示地下岩石工程的渗流-应力耦合作用和渗透演化机理，试验结果更接近真实值，可为工程修建和长期运行过程中对地下岩层的渗透性合理评估和围压变形控制问题提供参考，有重要工程应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，包括：
对岩石试样进行饱和试验，使岩石试样处于饱和状态；
对处于饱和状态的岩石试样，开展复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验，并采用稳态法进行渗透率测试，获得加载全过程应力应变曲线、轴向应变-渗透率演化曲线。
2.根据权利要求1所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，所述复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验通过在三轴压缩试验中分别采用偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环来实现，具体步骤为：
对处于饱和状态的岩石试样施加初始围压和渗透压力p；进行偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环；进行下一级偏应力加卸载，重复此加载过程3-4次直至岩石试样破坏。
3.根据权利要求2所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，在所述偏压加卸载循环、围压加卸载循环和渗透压力加卸载循环中根据岩石试样的峰值强度将预加卸载的力分成多个等级。
4.根据权利要求1所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，在进行所述复杂渗流应力耦合加载路径的三轴瞬时试验和蠕变试验的过程中，保持岩石试样处于排水状态。
5.根据权利要求1所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，所述饱和试验包括气体饱和试验或饱水试验。
6.根据权利要求5所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，所述气体饱和试验具体为：先将岩石试样恒温120℃烘干24h，再通过气体渗透系统持续输入惰性气体直到检测到输出的气压保持不变。
7.根据权利要求5所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，所述饱水试验具体为：先通过真空泵对岩石试样进行4h的干抽和8h的湿抽，然后放入蒸馏水中浸泡4h，再将岩石试样放入三轴伺服仪中施加渗透水压直至出水端有稳定水流出现。
8.根据权利要求1所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，所述采用稳态法进行渗透率测试，包括：每加载或卸载到设定的偏压应力、围压和渗透水压后停留10分钟，待稳定后渗流设定的时间，记录这段时间内的渗水体积即可测其渗透率，则第i个记录间隔内渗透率的求解公式为：
式中：kn+1为第n+1个记录间隔内岩石渗透率；Vn为第n个记录点的渗水体积量；Vn+1为第n+1个记录点的渗水体积量；Δtn+1为第n个和第n+1个记录点之间的时间间隔；ΔPn+1为Δtn+1内试样两端水头压力差；H为试样的长度，μ为水的粘滞系数；A为渗透截面的面积。
9.根据权利要求1所述的复杂渗流应力耦合加载路径的试验方法，其特征是，在采用稳态法进行渗透率测试时，渗透介质选取蒸馏水或惰性气体，当岩石试样的渗透率低于10- 15m2时，使用惰性气体。
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