專利名稱：一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種破碎巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試方法，尤其是一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法。
背景技術(shù)：
工程中的破碎巖石大致可分為兩類一類是受構(gòu)造及采動(dòng)作用破碎后仍處于原來位置的原位破碎巖石，一類是因工程開挖而破碎冒落并在高壓作用下可再次壓實(shí)的堆積破碎巖石。破碎巖石具有孔隙度大、滲透性高等特點(diǎn)，其時(shí)間相關(guān)性變形(尤其是蠕變)及滲流行為對(duì)巖石內(nèi)部液體和氣體的運(yùn)移、地面建筑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等會(huì)帶來嚴(yán)重影響。目前，承壓破碎巖石的變形與滲流耦合研究是水利及采礦工程的熱門課題，特別是近年來作為綠色開采關(guān)鍵技術(shù)之一的“煤矸石置換開采技術(shù)”的推廣、應(yīng)用以來，關(guān)于破碎矸石充填的密實(shí)程度、長(zhǎng)期變形和滲流行為對(duì)控制地面沉降的作用及其對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響研究已提出了迫切的要求。目前，人們對(duì)破碎巖石的滲流和蠕變作為兩個(gè)獨(dú)立的過程或滲流與蠕變的階段性耦合過程已進(jìn)行了較多的研究，但兩者相互影響的試驗(yàn)成果以及蠕變?nèi)^程中滲透特性試驗(yàn)的研究資料卻很少，這主要是因?yàn)槿鄙籴槍?duì)破碎巖石蠕變-滲透全程耦合的操作系統(tǒng)及操作方法。雖然，李順才等設(shè)計(jì)了破碎巖石蠕變與滲透全程耦合的專利裝置(ZL201120034981. 3)，但這只是一種操作裝置，未曾涉及到破碎巖石蠕變一滲透全程耦合時(shí)同時(shí)測(cè)定其蠕變參數(shù)和滲透參數(shù)的操作方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服破碎巖石蠕變-滲透全程耦合試驗(yàn)中存在的問題，本發(fā)明提供一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，該操作方法不僅可以獲取破碎巖石蠕變與滲透全程耦合時(shí)的蠕變模型，進(jìn)而對(duì)比分析不同滲流壓力對(duì)蠕變特性的影響以及蠕變不同階段的滲透特性，而且還能反映出蠕變及滲流的相互影響，為破碎巖石蠕變-滲流耦合的理論分析及數(shù)值模擬提供依據(jù)；另外，該操作方法成本低，操作方便，通過設(shè)計(jì)不同的操作方案，可以獲取蠕變及滲流的各種性能參數(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法采用破碎巖石蠕變一滲透全程耦合試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)軸向壓力及滲透壓差的加載，具體操作方法包括六個(gè)步驟
(1)確定破碎巖石加載前在缸筒中的初始高度;
(2)開啟軸向加載裝置，加油壓O.5MPa，使連接密實(shí)；
(3)啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵飽和巖石；
(4)施加軸向載荷，并保持恒定，操作前預(yù)設(shè)4級(jí)遞增的載荷值，即可得到4級(jí)遞增的應(yīng)力水平；(5 )按設(shè)定水壓給巖石注水滲流，滲透加載要求設(shè)置4級(jí)遞增的水壓Af，在每級(jí)軸向應(yīng)
力O■保持恒定的蠕變階段，滲透裝置按設(shè)定的4級(jí)水壓分別向巖石注水滲流6小時(shí)；
(6)改變軸向載荷進(jìn)行下一級(jí)應(yīng)力階段的蠕變一滲透測(cè)試，改變油壓，得到不同的軸向壓力及應(yīng)力，再按前面(4) (5)的測(cè)試原理及方法進(jìn)行操作，可得到不同載荷下巖石其位移的蠕變曲線及其滲透參數(shù)隨位移S的變化規(guī)律。根據(jù)該操作方法，軸向載荷A可由油壓表讀數(shù)/7及液壓缸內(nèi)截面面積J計(jì)算得到； 每級(jí)水壓下的平均滲流速虔V1由流量傳感器采集的體積流量^及缸筒內(nèi)截面面積A1計(jì)算得到；巖石的壓縮位移^由位移計(jì)讀數(shù)得到，巖石兩端的滲透壓差麵> 由水壓表的讀數(shù)計(jì)算
得到，然后用以計(jì)算巖石兩端的孔壓梯度^ ;當(dāng)4級(jí)水壓的滲流加載完畢后，才能開始下
一級(jí)軸向壓應(yīng)力的加載及蠕變、滲流。在每級(jí)軸向應(yīng)力的蠕變階段，滲透特性參數(shù)由孔壓梯
度^與平均滲流速度的散點(diǎn)圖，通過Forchheimer非線性滲流關(guān)系式擬合得到；每級(jí)
軸向應(yīng)力下的螺變?nèi)齾?shù)，由軸向宏觀應(yīng)變*的時(shí)間曲線，通過Kelvin-Volgt螺變模型擬合得到。本發(fā)明的有益效果是，該同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法不僅可以獲取破碎巖石蠕變與滲透全程耦合時(shí)的蠕變模型，進(jìn)而對(duì)比分析不同滲流壓力對(duì)蠕變特性的影響以及蠕變不同階段的滲透特性，而且還能反映出蠕變及滲流的相互影響，為破碎巖石蠕變一滲流耦合的理論分析及數(shù)值模擬提供依據(jù)；另外，該操作方法成本低，操作方便，通過設(shè)計(jì)不同的操作方案，可以獲取蠕變及滲流的各種性能參數(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。附圖I為破碎巖石蠕變一滲透全程耦合試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為軸向加壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3為滲透裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為破碎巖石蠕變-滲流全程耦合測(cè)試流程圖。在圖中，I.推車，2.支架，3.缸筒，4.水箱，5.空心圓管，6.位移計(jì)，7.液壓缸，8.水壓表，9.壓力傳感器，10.流量傳感器，11.電動(dòng)試壓泵，12.油箱，13.柱塞泵， 14.電磁溢流閥，15.單向閥，16.壓力繼電器，17.儲(chǔ)能器，18. 二位四通換向閥，19.壓力表，20.壓力傳感器，21.出水管，22.活塞，23.巖石，24.多孔透水板，25.毛氈層，26.單向閥，27.缸筒，28.底座，29.進(jìn)水管。
具體實(shí)施例方式在圖中，該破碎巖石蠕變一滲透全程耦合操作裝置包括軸向加壓裝置、滲透裝置、 數(shù)據(jù)顯示裝置和監(jiān)控器件，該操作裝置設(shè)有一個(gè)底部帶有滾輪的平板形推車1，推車I的底板上固定安裝有方框形的支架2,支架2內(nèi)部上端固定安裝有液壓軸向加壓裝置,支架2 內(nèi)部下端對(duì)應(yīng)安裝有滲透裝置，所述的軸向加壓裝置設(shè)有一個(gè)與支架2頂面固定連接的液壓缸7,液壓缸7的底端垂直固定連接有一個(gè)用于軸向加載的空心圓管5,空心圓管5的一側(cè)設(shè)有位移計(jì)6 ;所述的滲透裝置有一個(gè)豎向缸筒3，缸筒3的底端固定安裝有密封的底座28，缸筒3頂部吻合安裝有活塞22，活塞22的頂面與圓管5的底面相接，底座28和活塞22的中軸上分別安裝有豎向的進(jìn)水管29和出水管21，出水管21的外端連接有水箱4，進(jìn)水管29上設(shè)有防止水逆流的單向閥26，進(jìn)水管29順序與帶有閥門的水壓表8、壓力傳感器9、流量傳感器10和電動(dòng)試壓泵11連接，底座28和活塞22之間順序?qū)?yīng)設(shè)有毛氈層25和多孔透水板24，多孔透水板24之 間夾緊固定有試驗(yàn)巖石23。軸向加壓裝置采用柱塞泵13吸取油箱12中的液壓油開始工作，通過電磁溢流閥14、單向閥15、壓力繼電器16、儲(chǔ)能器17和二位四通換向閥18實(shí)現(xiàn)油路壓力的穩(wěn)定提供和保持，并把油路中穩(wěn)定的壓力通過液壓缸7實(shí)現(xiàn)軸向力的加載和保持；滲透裝置由電動(dòng)試壓泵11提供滲透所需的水壓，流體由進(jìn)水管29流入，經(jīng)單向閥26自下而上通過毛氈層25、多孔透水板24進(jìn)入巖石23，再經(jīng)出水管21流入水箱4，在操作中，可通過帶有閥門的壓力表20、水壓表8以及位移計(jì)6實(shí)時(shí)顯示和記錄操作數(shù)據(jù)，并可通過壓力傳感器9、20和流量傳感器10將流量和壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入到外接的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄、分析。具體的操作步驟如下
(O 確定破碎巖石加載前在缸筒中的初始高度&
用天平稱取質(zhì)量為 的破碎巖石23，將巖石23裝入缸筒27內(nèi)，裝上活塞22初步壓實(shí)，量取活塞22頭部露出缸筒27的高度么。由缸筒27的總深度#、活塞22總長(zhǎng)Zr、透水板24的厚度A2、毛氈25的厚度A3，根據(jù)圖3可計(jì)算得到破碎巖石23的初始高度慫，
Bt=H -{h-hj Th7-2k,(I)
(2)開啟軸向加載裝置，加油壓O. 5MPa，使連接密實(shí)
開啟柱塞泵13，使之輸出的經(jīng)過壓力表19讀得的液壓油壓力P為O. 5MPa，該初始?jí)毫κ沟幂S向加載圓管5的底面與活塞22的頂面在連接處充分接觸密實(shí)，防止?jié)B流時(shí)漏水。(3)啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵飽和巖石
啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵11向巖石23中注水，使水充分填充到巖石23的空隙，直至觀察到滲透裝置出水管21有水自動(dòng)流出為止，說明此時(shí)破碎巖石23已達(dá)到飽和狀態(tài)。(4)施加軸向載荷，并保持恒定
為了比較不同應(yīng)力水平下的蠕變參數(shù)，試驗(yàn)前可預(yù)設(shè)4級(jí)遞增的載荷值。相應(yīng)地，可得到4級(jí)遞增的應(yīng)力水平。設(shè)軸向加載時(shí)由壓力表19讀得的液壓油壓力為P，根據(jù)液壓缸7
的內(nèi)徑D，得到液壓缸7內(nèi)的截面面積d 二;/J2 ,則軸向壓力為
4
W^==P——(2)
4
此載荷經(jīng)過空心圓管5及活塞22傳給巖石23，設(shè)缸筒27的內(nèi)徑為Dl，則缸筒27的內(nèi)
截面面積為4 爲(wèi)2 ,于是，位于缸筒27中的巖石23承受的壓應(yīng)力為
4
4xF JfyXjD2
O" 二二 打 2(3)
Df通過改變油壓P，即可得到不同的軸向載荷及應(yīng)力水平。(5)按設(shè)定水壓給巖石注水滲流
軸向載荷保持恒定后，啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵11給巖石23注水，流經(jīng)水壓表8的水壓用八
表示。為了測(cè)量巖石23在蠕變過程中的滲透參數(shù)，可設(shè)置4級(jí)遞增的水壓八，每級(jí)水壓設(shè)
置的注水時(shí)間t為6小時(shí)。巖石23下端經(jīng)由多孔透水板24、毛氈25、單向閥26與進(jìn)水管 29相連，巖石23上端通過出水管21與水箱4相連，則巖石23兩端的壓力差為 AjP = O-P1, =-pw(4)
壓力梯度為
& Jy3(5)
Hs為巖石23的高度，H-S，S為巖石23的壓縮位移，其值通過位移計(jì)6讀出。對(duì)于每一級(jí)設(shè)定的水壓凡，當(dāng)流速均勻達(dá)到穩(wěn)定滲流時(shí)，由流量傳感器10采集的體積流量Q，得到水在巖石23中的滲流速度V為
V —(6)
A
由該速度V在穩(wěn)定滲流到注水結(jié)束這一時(shí)間內(nèi)的平均值得到該級(jí)水壓下的平均滲流速度4即對(duì)每一級(jí)孔隙水壓1 ，可得到一個(gè)平均滲流速度4。依次改變孔隙水壓，并按設(shè)定時(shí)間滲流，當(dāng)設(shè)定的第4級(jí)水壓滲流結(jié)束時(shí)，依次計(jì)算得到4級(jí)滲流速度&及壓力梯度值% ,于是由這4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可繪制出%與1散點(diǎn)圖， 對(duì)該散點(diǎn)圖用如下Forchheimer關(guān)系式擬合
u -----(7 )
Sr k
其中It、於分別為巖石23的滲透率、非Darcy流於因子，為滲流液體的質(zhì)量密度，ft 為滲透液體的動(dòng)力粘度。通過式(J)擬合從而得到表征破碎巖石23的滲透特性參數(shù)滲透率k、非Darcy流於因子。在同一級(jí)軸向壓力的保持階段，可重復(fù)上述注水滲流過程，得到該級(jí)軸向壓力作用下巖石23在蠕變過程中的滲透特性參數(shù)隨巖石23的位移S的變化規(guī)律。即在軸向應(yīng)力 O"恒定時(shí)，得到
k ^k(S) ,(8)
根據(jù)位移計(jì)6所得巖石23的壓縮位移S，采用對(duì)數(shù)應(yīng)變計(jì)算巖石的壓應(yīng)變，則各時(shí)刻t 巖石的宏觀壓應(yīng)變E為
,=L^a') =InHe-ImiH0-Sy(9)
I 馬
于是可繪制每級(jí)應(yīng)力水平下的位移S或宏觀應(yīng)變c隨時(shí)間的蠕變曲線，即S= 5'CO , E = ε( )( ο)
將￡ = ⑩曲線按如下Kelvin-Volgt螺變模型擬合
(11)
其中，EO為巖石23的瞬時(shí)彈性模量 ，El為其極限蠕變變形模量，T1為延遲時(shí)間，且有
Th
h = t (12)
瞬時(shí)彈性模量EO可由軸向應(yīng)力ir加載階段產(chǎn)生的彈性應(yīng)變·來確定。根據(jù)壓力傳感器20及位移計(jì)6的讀數(shù)，可繪制加載階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線在原點(diǎn)附近的斜率值即為瞬時(shí)彈性模量Ε0。參數(shù)El及％的確定采用如下方法由式(11)知
當(dāng)時(shí)，+ 7(13)
￡ —■^ ro
聯(lián)合式(11)、(13)得到
Ar = r·-咐=*!^-丄)(14)
eI H
將上式兩邊取對(duì)數(shù)得到
■ Λ . G ￡ ■ O E1
hi As = ^ ——-···· — 二 fci ——■·■■ — (15)
上式中若令
y=lnAt-=M^ —難)a = ln^ A=1_^
則可按進(jìn)行線性回歸，得到a及b，從而得到參數(shù)El及H。通過以上方法得到了每級(jí)軸向應(yīng)力σ下破碎巖石23在滲流作用下的Kelvin-Volgt螺變模型參數(shù)。(6)改變軸向載荷進(jìn)行下一級(jí)應(yīng)力階段的蠕變-滲透測(cè)試
改變油壓，得到不同的軸向壓力及應(yīng)力，再按前面(4) - (5)的測(cè)試原理及方法進(jìn)行試驗(yàn)，可得到不同載荷下巖石23其位移的蠕變曲線及其滲透參數(shù)隨位移S的變化規(guī)律。綜合不同載荷水平的試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到
k = bicr,S) , β=β(σ,5}(16)
上式反映了蠕變變形S對(duì)滲透性參數(shù)的影響。綜合不同軸向載荷下的操作結(jié)果，還可獲得不同軸向應(yīng)力下及滲流作用下巖石23
的蠕變規(guī)律，得到各級(jí)軸向應(yīng)力下的蠕變參數(shù)Ep Ei及鉺。以上所得蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)，是在蠕變及滲流同時(shí)進(jìn)行中獲得的。軸向應(yīng)力設(shè)置4級(jí)，在每一級(jí)軸向應(yīng)力水平下，依次設(shè)置4級(jí)不同的水壓進(jìn)行測(cè)試。為了分析不同因素對(duì)蠕變或滲透性能的影響，可局部修改上述操作方案，進(jìn)行如下操作
(I)不同滲透水壓對(duì)蠕變影響的操作需對(duì)初始高度相同的破碎巖石進(jìn)行分組試驗(yàn)，在
相同的軸向壓力作用下蠕變時(shí)，每組選用一種水壓凡對(duì)巖石23進(jìn)行滲流。(2)無滲流作用下的蠕變操作在整個(gè)蠕變過程中不加水壓，用以對(duì)比分析有無滲流作用對(duì)蠕變模型的影響，可以得到各級(jí)應(yīng)力水平下的蠕變模型及參數(shù)；
(3)蠕變對(duì)滲透特性影響的操作在同一級(jí)應(yīng)力水平下，分別在蠕變初期(蠕變6小時(shí)
內(nèi))、蠕變中期(蠕變8-14小時(shí)內(nèi))及蠕變后期(蠕變18-24小時(shí)內(nèi))對(duì)巖石用相同水壓凡滲
流，可以得到同級(jí)軸向應(yīng)力作用下蠕變不同階段的滲透特性參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，采用破碎巖石蠕變一滲透全程耦合操作裝置實(shí)現(xiàn)軸向壓力及滲透壓差的加載；所述操作方法的具體特征是(I)確定破碎巖石加載前在缸筒中的初始高度(2)開啟軸向加載裝置，加油壓0.5MPa，使連接密實(shí)；(3)啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵飽和巖石；(4)施加軸向載荷，并保持恒定，操作前預(yù)設(shè)4級(jí)遞增的載荷值，即可得到4級(jí)遞增的應(yīng)力水平；(5)按設(shè)定水壓給巖石注水滲流，滲透加載要求設(shè)置4級(jí)遞增的水壓凡，在每級(jí)軸向應(yīng)力o■保持恒定的蠕變階段，滲透裝置按設(shè)定的4級(jí)水壓分別向巖石(23)注水滲流6小時(shí)；(6)改變軸向載荷進(jìn)行下一級(jí)應(yīng)力階段的蠕變-滲透測(cè)試，改變油壓，得到不同的軸向壓力及應(yīng)力，再按前面(4) (5)的測(cè)試原理及方法進(jìn)行操作，可得到不同載荷下巖石其位移的蠕變曲線及其滲透參數(shù)隨位移S的變化規(guī)律。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，其特征是軸向載荷/^由油壓表讀數(shù)/7及液壓缸內(nèi)截面面積J計(jì)算得到；每級(jí)水壓下的平均滲流速度V1由流量傳感器采集的體積流量^及缸筒內(nèi)截面面積A1計(jì)算得到；由位移計(jì)讀數(shù)得到巖石的壓縮位移S，由水壓表的讀數(shù)計(jì)算巖石兩端的滲透壓差4 ，用以計(jì)算巖石兩端的孔壓梯度Ik ;當(dāng)4級(jí)水壓的滲流加載完畢后，才能開始下一級(jí)軸向壓應(yīng)力的加載及蠕變、滲流；在每級(jí)軸向應(yīng)力的蠕變階段，滲透特性參數(shù)由孔壓梯度$與平均滲流速度M的SrI散點(diǎn)圖，通過Forchheimer非線性滲流關(guān)系式擬合得到；每級(jí)軸向應(yīng)力下的螺變?nèi)齾?shù)，由軸向宏觀應(yīng)變￡的時(shí)間曲線，通過Kelvin-Volgt螺變模型擬合得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，其特征是對(duì)于無滲流作用下的蠕變操作，在整個(gè)蠕變過程中不加水壓，用以對(duì)比分析有無滲流作用對(duì)蠕變模型的影響，可以得到各級(jí)應(yīng)力水平下的蠕變模型及參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，其特征是在不同滲透水壓對(duì)蠕變影響的操作時(shí)，需對(duì)初始高度相同的破碎巖石進(jìn)行分組操作，在相同的軸向壓力作用下蠕變時(shí)，每組選用一種水壓凡對(duì)巖石(23)進(jìn)行滲流。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，其特征是對(duì)于蠕變對(duì)滲透特性影響的操作，在同一級(jí)應(yīng)力水平下，分別在蠕變初期(蠕變6 小時(shí)內(nèi))、蠕變中期(螺變8-14小時(shí)內(nèi))及蠕變后期(蠕變18-24小時(shí)內(nèi))對(duì)巖石用相同水壓1 滲流，可以得到同級(jí)軸向應(yīng)力作用下蠕變不同階段的滲透特性參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同時(shí)測(cè)定破碎巖石蠕變參數(shù)及滲透參數(shù)的操作方法，其操作方法是采用一種破碎巖石蠕變—滲透全程耦合試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)軸向壓力及滲透壓差的加載，首先確定巖石加載前在缸筒中的初始高度，然后開啟軸向加載裝置，啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵飽和巖石，施加軸向載荷，按設(shè)定水壓給巖石注水滲流，最后改變軸向載荷進(jìn)行下一級(jí)應(yīng)力階段的蠕變-滲透測(cè)試，滲透特性參數(shù)由Forchheimer公式擬合孔壓梯度與平均滲流速度的散點(diǎn)圖得到，蠕變參數(shù)由Kelvin-Volgt蠕變模型擬合軸向應(yīng)變時(shí)間曲線得到。該操作方法的有益效果是，可以獲取破碎巖石蠕變與滲透全程耦合時(shí)的蠕變模型，并通過參數(shù)反映了蠕變及滲流的相互影響，操作結(jié)果可為破碎巖石蠕變—滲流的理論分析及數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N3/10GK102620996SQ20121010460
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者李順才 申請(qǐng)人:江蘇師范大學(xué)