CN112147182A - 基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，包括如下步骤：现场选取新鲜、典型的碳质岩石试样，进行岩石类型判别以及含水量与密度测试，明确岩石的自然赋存状态；进行碳质岩石试样浸泡后开展崩解度试验，测定岩样热导率；测试岩样的耐崩解性指标，并绘制耐崩解性指标与热导率的关系曲线；基于数据拟合分析的最小二乘原理，获得热导率与耐崩解性指标的最佳匹配函数；根据所得匹配函数关系式，可以在已知碳质岩石热导率的条件下，评价其崩解特性。本发明的确定方法能够准确、高效、无损的评判碳质岩石的崩解特性。

Description

基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法
技术领域
本发明涉及工程地质和岩土工程领域，特别是一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法。
背景技术
碳质岩石广泛分布于我国西南地区，该类岩石对环境变化敏感，易风化、遇水和热胀冷缩条件下常发生碎裂、崩解等现象，进而诱发边坡滑坡、上部构筑物沉降过大，失稳等问题。崩解特性是碳质岩石最关键的工程性质之一，其性能优劣直接影响该地区的基础设施的正常运营与地质灾害的有效防控。碳质岩石遇水易崩解，水分浸入时间越长，与矿物成分作用越充分，其崩解性越显著。一直以来，人们常用室内崩解度试验来评价岩样在不同水分侵入条件下的完整性。此类试验存在如下不足，有待进行改进：
1、需要消耗大量岩石试样。
2、整个试验过程耗时较长。
3、试样破坏完全。
这对于岩石试样采集和高效、快速判定崩解特性均是不利的。因此，亟需探索一种高效、无损评价碳质岩石崩解特性的新方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，该基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法具有快速、准确、无损等特点，对于地质灾害预警和工程设施稳定性分析均具有重要的意义。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，包括如下步骤。
步骤1，选样：确定m个碳质岩的典型分布区域，其中，m≥1。对每个典型分布区域分别现场采集新鲜的天然碳质岩石试样，并确定碳质岩类别。
步骤2，制样：将每个典型分布区域的天然碳质岩石试样，均修整形成N个岩石测试试样，其中，N≥10。岩石测试试样的总数量则为m*N个，并依次编号。每个岩石测试试样均为直径为d，高度为h的圆柱形试样，且质量控制在40g至60g之间。
步骤3，一次烘干：将每个岩石测试试样，均进行一次烘干。在干燥器内冷却至室温后，称量每个岩石测试试样的一次烘干后试样质量md。
步骤4，浸泡：将一次烘干后的每个岩石测试试样，放入对应筛筒并浸没于水槽中，并使岩石测试试样按照设定转速转动。
步骤5，二次烘干：将浸泡后筛筒内残余的岩石测试试样，按照一次烘干的烘干条件，进行二次烘干。在干燥器内冷却至室温后，称取残余试样质量mr。
步骤6，计算耐崩解性指标Id2：按照如下公式(1)，计算每个岩石测试试样的耐崩解性指标Id2：
Figure BDA0002657697780000021
步骤7，获取热导率k：利用非稳态热传导的方法，对二次烘干后的每个岩石测试试样，分别测试热导率k。
步骤8，建立耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式：将步骤6计算的m*N个Id2和步骤7获取的m*N个k，依据最小二乘法，进行线性拟合，从而获得耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式。
步骤9，求解耐崩解性指标Id2：采集待分析区域的新鲜的天然碳质岩石试样，按照步骤 7的方法，测定待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k。然后，将测定得到的待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k，代入步骤8建立的耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式中，从而求得得到待分析区域天然碳质岩石试样的耐崩解性指标Id2。
步骤2中，每个岩石测试试样均为直径d＝50mm，高度h＝25mm的圆柱形试样。
步骤3中，一次烘干的烘干条件为：105℃～110℃的温度下烘24h。
步骤4中，岩石测试试样按照设定转速20r/min转动10min。
步骤4中的筛筒为耐崩解试验仪的圆柱形筛筒。
步骤4中，水槽内盛放的水体为不低于GB6682中规定的三级水。
水槽内盛放的水体为干净自来水。
步骤7中，每个岩石测试试样的热导率k的测试过程应在1小时内完成。
步骤8中，依据最小二乘法进行线性拟合时的相关系数R2应高于0.75。
步骤1中，碳质岩类别包括碳质泥岩、碳质页岩和碳质灰岩。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明以碳质岩石的热物理性质指标热导率来评价其崩解特性，热导率的测量属于无损测试技术，且测试过程耗时较短，可避免对大量试样的破坏，提高效率。
2.碳质岩石热导率的测试在现场原位和室内均可进行，可以降低或避免试样采集产生的工作量和测速成本。原位测试的进行，可以避免试样采集和运输扰动造成误差，有效提高了评价结果的可靠度。
3.本发明的碳质岩石崩解性的确定方法，原理简单，操作简便，易于掌握，且为类似岩体崩解特性的评价提供了良好的借鉴。
附图说明
图1为本发明的碳质页岩热导率k与耐崩解性指标Id2的相关关系。
图2为利用本发明的方法确定的崩解性指标Id2-P与实测指标Id2-M的对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，包括如下步骤。
步骤1，选样：确定m个碳质岩的典型分布区域，其中，m≥1。
本实施例中，典型分布区域选择三个，也即m＝3，分别为广西省的白色市、柳州市和河池市。
对每个典型分布区域分别现场采集新鲜的天然碳质岩石试样，并确定碳质岩类别。
其中碳质岩石类型可为：碳质泥岩、碳质页岩或碳质灰岩等。
本实施例中，从广西省的白色市、柳州市和河池市分别采集新鲜的碳质岩石，进现场判别为碳质页岩，分别为碳质页岩1、碳质页岩2和炭质页岩3。
然后，对每个典型分布区域的天然碳质岩石试样分别测试天然状态的含水量和密度。
本实施例中，将碳质页岩1、碳质页岩2和炭质页岩3分别采集，运输至室内试验室，进行含水量和密度测试。含水量的测试方法参照ASTM D2216-19进行，烘干温度设定为110℃，持续时间为12小时。密度的测试采用蜡封法，试验用水为27℃的去离子水，质量的测量精度为0.01g。含水量和密度的测试结果如表1所示。
表1碳质页岩含水量与密度测试结果.
Figure BDA0002657697780000031
Figure BDA0002657697780000041
表2炭质页岩主要化学元素(％)
Figure BDA0002657697780000042
表3炭质岩主要矿物成分
Figure BDA0002657697780000043
上述表1的含水量和密度测试，表2化学元素分析以及表3的矿物成分分析，均能进一步确定碳质岩的类别。
步骤2，制样：将每个典型分布区域的天然碳质岩石试样，均修整形成N个岩石测试试样，其中，N≥10。岩石测试试样的总数量则为m*N个，并依次编号。
每个岩石测试试样均为直径为d，高度为h的圆柱形试样，且质量控制在40g至60g之间。
本实施例中，将碳质页岩1、碳质页岩2和炭质页岩3均切削成圆柱形试样，圆柱形的直径优选为d＝50mm，高度优选为h＝25mm，质量40g～60g的块体，每组10个试样，共计 30个岩石测试试样。
步骤3，一次烘干：将每个岩石测试试样，均进行一次烘干。
具体优选烘干方法为：将每个岩石测试试样分别装入耐崩解试验仪的圆柱形筛筒内，在 105℃～110℃的温度下烘24h。
然后，在干燥器内冷却至室温后，称量每个岩石测试试样的一次烘干后试样质量md。
步骤4，浸泡：将一次烘干后的每个岩石测试试样，放入对应筛筒并浸没于水槽中，并使岩石测试试样按照设定转速转动。
将装有岩石测试试样的筛筒放入水槽，向水槽内注水，使水位在转动轴下约20mm。筛筒携带岩石测试试样优选以20r/min的转速转动10min。试验用水应不低于GB6682中三级水的规定，优选为干净自来水。
步骤5，二次烘干：将浸泡后筛筒内残余的岩石测试试样，按照一次烘干的烘干条件(如 105℃～110℃的温度下烘24h)，进行二次烘干。在干燥器内冷却至室温后，称取残余试样质量mr。
步骤6，计算耐崩解性指标Id2：按照如下公式(1)，计算每个岩石测试试样的耐崩解性指标Id2：
Figure BDA0002657697780000051
步骤7，获取热导率k：利用非稳态热传导(如非稳态热平板设备等)的方法，对二次烘干后的每个岩石测试试样，分别测试热导率k。测试之前，应快速吸干试样表面水分，并确保试样两端平整、光滑，确保与热平板接触良好，测试方法参考ISO S 22007-2规范进行，测试精度保证在3％以上且每个试样测试过程在1小时内完成。
步骤8，建立耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式：将步骤6计算的m*N个Id2和步骤7获取的m*N个k，依据最小二乘法，进行线性拟合，拟合时的相关系数R2应高于0.75，从而获得耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式。
本实施例中，绘制的热导率k与耐崩解性指标Id2的关系曲线，如图1所示，从图1中可以看出，碳质页岩的耐崩解性指标Id2与其热导率k存在显著相关关系，通过最小二乘法的线性拟合，得到两者的相关关系函数表达式为：
Id2＝-59.81422k+193.48076 (2)
由此可见，碳质页岩的耐崩解性指标Id2与热导率k呈指数负相关关系，相关指数R2为 0.926，满足大于0.75的要求。
耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式，建立完成后，本发明中，还对此函数关系式进行了验证，具体验证方法如下：
根据获得的碳质页岩耐崩解指标Id2与热导率k的函数关系式，如公式(2)，对其他采样位置的碳质页岩试样进行崩解性评价验证，将测试得到的热导率k代入公式(2)中，计算得到耐崩解性指标Id2-P并与实测耐崩解性指标Id2-M对比。图2为利用本发明的方法确定的崩解性指标Id2-P与实测指标Id2-M的对比。从图2中可以看出：计算崩解性指标Id2-P与实测崩解性指标Id2-M之间的误差在15％以内。由此可见，本发明所提出的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法具有较好的准确度和适用性。
步骤9，求解耐崩解性指标Id2：采集待分析区域的新鲜的天然碳质岩石试样，按照步骤 7的方法，测定待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k。然后，将测定得到的待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k，代入步骤8建立的耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式中，从而求得得到待分析区域天然碳质岩石试样的耐崩解性指标Id2。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，选样：确定m个碳质岩的典型分布区域，其中，m≥1；对每个典型分布区域分别现场采集新鲜的天然碳质岩石试样，并确定碳质岩类别；
步骤2，制样：将每个典型分布区域的天然碳质岩石试样，均修整形成N个岩石测试试样，其中，N≥10；岩石测试试样的总数量则为m*N个，并依次编号；每个岩石测试试样均为直径为d，高度为h的圆柱形试样，且质量控制在40g至60g之间；
步骤3，一次烘干：将每个岩石测试试样，均进行一次烘干；在干燥器内冷却至室温后，称量每个岩石测试试样的一次烘干后试样质量md；
步骤4，浸泡：将一次烘干后的每个岩石测试试样，放入对应筛筒并浸没于水槽中，并使岩石测试试样按照设定转速转动；
步骤5，二次烘干：将浸泡后筛筒内残余的岩石测试试样，按照一次烘干的烘干条件，进行二次烘干；在干燥器内冷却至室温后，称取残余试样质量mr；
步骤6，计算耐崩解性指标Id2：按照如下公式(1)，计算每个岩石测试试样的耐崩解性指标Id2：
Figure FDA0002657697770000011
步骤7，获取热导率k：利用非稳态热传导的方法，对二次烘干后的每个岩石测试试样，分别测试热导率k；
步骤8，建立耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式：将步骤6计算的m*N个Id2和步骤7获取的m*N个k，依据最小二乘法，进行线性拟合，从而获得耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式；
步骤9，求解耐崩解性指标Id2：采集待分析区域的新鲜的天然碳质岩石试样，按照步骤7的方法，测定待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k；然后，将测定得到的待分析区域天然碳质岩石试样的热导率k，代入步骤8建立的耐崩解性指标Id2与热导率k的函数关系式中，从而求得得到待分析区域天然碳质岩石试样的耐崩解性指标Id2。
2.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤2中，每个岩石测试试样均为直径d＝50mm，高度h＝25mm的圆柱形试样。
3.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤3中，一次烘干的烘干条件为：105℃～110℃的温度下烘24h。
4.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤4中，岩石测试试样按照设定转速20r/min转动10min。
5.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤4中的筛筒为耐崩解试验仪的圆柱形筛筒。
6.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤4中，水槽内盛放的水体为不低于GB6682中规定的三级水。
7.根据权利要求6所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：水槽内盛放的水体为干净自来水。
8.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤7中，每个岩石测试试样的热导率k的测试过程应在1小时内完成。
9.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤8中，依据最小二乘法进行线性拟合时的相关系数R2应高于0.75。
10.根据权利要求1所述的基于多孔介质传热指标确定碳质岩石崩解特性的方法，其特征在于：步骤1中，碳质岩类别包括碳质泥岩、碳质页岩和碳质灰岩。
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