可考慮多因素影響的巖石充填裂隙滲透率測試方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石充填裂隙滲透率測試方法及裝置，尤其涉及一種可考慮多因素影響的巖石充填裂隙滲透率測試方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石是組成地殼結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì)，是經(jīng)歷了漫長地質(zhì)史的大自然產(chǎn)物，天然巖石內(nèi)部有許多微裂隙、節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)上的缺陷。巖體裂隙賦存形式多變，充填膠結(jié)和幾何形態(tài)特征復(fù)雜，使得巖體的滲流性質(zhì)不同于土體等顆?？紫督橘|(zhì)，具有其復(fù)雜性和特殊性。結(jié)構(gòu)面是巖體地下水滲透、突涌的良好通道，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致工程圍巖失穩(wěn)破壞，因此，巖石裂隙滲流規(guī)律始終是國際巖石力學(xué)界研究的熱門課題。
[0003]達(dá)西定律揭示了層流條件下土體(顆?？紫督橘|(zhì))中滲流速度與水力梯度之間的線性關(guān)系，其表達(dá)式為= ki。式中:v為滲流速度4為介質(zhì)滲透系數(shù)為水力梯度。影響土體滲透系數(shù)的主要因素有粒度成分、密實度(無黏性土)或孔隙比(黏性土)。
[0004]光滑平行板裂隙模型認(rèn)為裂隙由兩片光滑、平直、無限長的平行板構(gòu)成，由流體為不可壓縮、黏性及水流為層流的假定，根據(jù)流體力學(xué)基本原理可以推導(dǎo)出平行板裂隙的水流公式Q = γ b3i/l2 η，即立方定律，其中，γ、η分別為流體的重度和動力粘度，b為裂隙開度。此時，單一巖石裂隙的滲透系數(shù)可表示為k= yb2/l2ri，影響其數(shù)值大小的裂隙幾何形態(tài)參數(shù)主要是等效開度和粗糙度。
[0005]開完施工引起的強烈?guī)r體應(yīng)力重分布將誘發(fā)非導(dǎo)水充填結(jié)構(gòu)面變形活化，改變其開度、粗糙度以及充填物粒度成分、密實度，致使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤疂B透、突涌的良好通道，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致工程圍巖失穩(wěn)破壞，演變?yōu)橥凰荒?、塌方冒頂?shù)戎卮蠊こ虨?zāi)害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是要提供一種可考慮多因素影響的巖石充填裂隙滲透率測試方法及裝置，解決國內(nèi)外學(xué)者在研究裂隙巖體水力學(xué)性質(zhì)時，只考慮單一平直光滑無充填時的情況測試裂隙的滲透率，然后根據(jù)裂隙的連通性、粗糙度、充填及應(yīng)力狀態(tài)情況進(jìn)行適當(dāng)修正獲得裂隙滲透率的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:巖石充填裂隙滲透率測試方法，首先制備含預(yù)制軸向貫穿充填裂隙的標(biāo)準(zhǔn)巖石或相似材料試樣；采用膠帶和熱縮管對上、下壓頭、透水板和含充填裂隙試樣進(jìn)行密封，將密封好的試樣整體放入所述裂隙法向壓縮加載裝置，并利用扭矩扳手進(jìn)行加載固定；利用MTS試驗機及裂隙法向壓縮加載裝置測試，選定活塞運行速度并記錄出水量，利用穩(wěn)態(tài)法公式可以計算出滲透率，包括:裂隙產(chǎn)狀、開度、粗糙度和充填物粒度成分、密實度多因素影響的巖石充填裂隙滲透率。
具體步驟如下:
(1)制備含單一預(yù)制軸向貫穿裂隙的標(biāo)準(zhǔn)巖石或相似材料試樣，所述裂隙在試樣橫斷面上的跡長、裂隙產(chǎn)狀、開度和粗糙度都可以調(diào)節(jié)；所述的相似材料為水泥砂漿或樹脂； (2)制備特定粒度成分的充填物，并按一定密實度填滿所述裂隙；所述的充填物為砂土或粉土 ；所述的特定粒度的最大粒徑dmax< 1.0mm ;所述的一定密實度為砂土相對密實度Dr彡0.30、粉土孔隙比彡0.92 ；
(3)在所述裂隙法向約束板圓弧部分之間放置所述已密封含充填裂隙試樣，用所述剛性連接桿穿過約束板對應(yīng)的螺栓孔，在約束板外側(cè)用所述螺母套入剛性連接桿進(jìn)行固定；
(4)利用扭矩扳手對所述裂隙法向壓縮加載裝置上的螺母施加扭矩，可以改變所述充填裂隙的受力狀態(tài)、開度及充填物密實度，由扭矩值可換算得出所述試樣受到的徑向壓力，并利用游標(biāo)卡尺測量裂隙張開度的變形量；
(5)將所述裂隙法向壓縮加載裝置和所述含預(yù)制充填裂隙試樣整體放在MTS815/816電液伺服試驗機上進(jìn)行滲流試驗，試驗開始前，施加一定軸向荷載固定試樣；所述的一定軸向荷載為1.0?2.0KN ；
(6)選定合理的活塞運行速度，換算得到對應(yīng)的滲流速度和滲流時間，所述的活塞運行速度為0.1?0.7mm.s \利用穩(wěn)態(tài)法測試充填節(jié)理的滲透特性，水流通過充填節(jié)理和上端壓頭后，在側(cè)部出水口流出，使用量杯、天平進(jìn)行水量和流失物的收集測量，利用穩(wěn)態(tài)法公式可以計算出滲透率；具體公式為:kf= Qf nL/ΑΔΡ,式中，kf為滲透率，mm2;Qf為單位時間滲流量，mm3.s S η為動力黏度，MPa.s ；L為試樣高度，mm ；A為試樣截面面積，mm2； ΔΡ為試樣兩端滲透壓力差，MPa ;
(7)對所述螺母扭矩值、裂隙產(chǎn)狀、開度、粗糙度以及充填物粒度成分因素進(jìn)行調(diào)整，獲得不同因素影響下的充填節(jié)理滲透性能。
實施巖石充填裂隙滲透率測試方法的專用裝置，包括:裂隙法向約束板、螺母、剛性連接桿、PVC膠帶和熱縮管、上透水板、上壓頭、出水口、下透水板、下壓頭、進(jìn)水口 ；裂隙法向約束板有兩塊，在兩塊裂隙法向約束板2的中部均有圓弧段以方便與標(biāo)準(zhǔn)試樣緊密接觸，在兩塊裂隙法向約束板的四個角部有設(shè)計有螺栓孔，剛性連接桿穿過螺栓孔，通過螺母連接；在兩塊裂隙法向約束板之間放置含有預(yù)制充填裂隙的標(biāo)準(zhǔn)試樣；在標(biāo)準(zhǔn)試樣的上端順序連接有上透水板、上壓頭，在上壓頭上有出水口 ；在標(biāo)準(zhǔn)試樣的下端順序連接有下透水板、下壓頭，在下壓頭上有進(jìn)水口 ；在上透水板、上壓頭、含有預(yù)制充填裂隙的標(biāo)準(zhǔn)試樣、下透水板和下壓頭外密封有PVC膠帶和熱縮管。
有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明可以改變裂隙在橫斷面上的跡長、產(chǎn)狀、開度、粗糙度以及充填物粒度成分、密實度、所受應(yīng)力狀態(tài)等因素來測試其滲透率，解決了以往國內(nèi)外學(xué)者在研究裂隙巖體水力學(xué)性質(zhì)時，上述諸多因素不能全部考慮，而只考慮單一平直光滑無充填時的情況測試裂隙的滲透率，然后根據(jù)裂隙的連通性、粗糙度、充填及應(yīng)力狀態(tài)等情況進(jìn)行適當(dāng)修正獲得裂隙滲透率這一問題，實現(xiàn)可綜合考慮裂隙幾何形態(tài)參數(shù)和充填膠結(jié)特征等因素的單一裂隙滲透率測試試驗，獲得不同因素影響下的充填節(jié)理滲透性能，為巖體水力學(xué)的理論分析和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)支撐。本發(fā)明具有構(gòu)造簡單、操作簡便、成本低廉、精確度高等特點，在巖石充填裂隙滲流試驗研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的裂隙法向壓縮加載裝置示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明的裂隙法向壓縮加載裝置的水平投影圖。
[0010]圖3為本發(fā)明的滲流試驗示意圖。
圖4為本發(fā)明的滲透率與幾何平均粒徑關(guān)系曲線圖。
圖5為本發(fā)明的滲透率與節(jié)理開度關(guān)系曲線圖。
圖中，1、含有預(yù)制充填裂隙的標(biāo)準(zhǔn)試樣；2、裂隙法向約束板；3、螺母；4、剛性連接桿；
5、PVC膠帶和熱縮管；6、上透水板；7、上壓頭；8、出水口 ；9、下透水板；10、下壓頭；11、進(jìn)水口 ； 12、試驗機上承壓板；13、試驗機下承壓板。
【具體實施方式】
巖石充填裂隙滲透率測試方法，利用MTS試驗機及裂隙法向壓縮加載裝置測試，包括:裂隙開度、粗糙度和充填物粒度成分、密實度多因素影響的巖石充填裂隙滲透率。
具體步驟如下:
(1)制備含單一預(yù)制軸向貫穿裂隙的標(biāo)準(zhǔn)巖石或相似材料試樣，所述裂隙在試樣橫斷面上的跡長(可以貫穿)、裂隙產(chǎn)狀、開度和粗糙度都可以調(diào)節(jié)；所述的相似材料為水泥砂漿或樹脂；
(2)制備特定粒度成分的充填物，并按一定密實度填滿所述裂隙；所述的充填物為砂土或粉土 ；所述的特定粒度的最大粒徑dmax< 1.0mm ;所述的一定密實度為砂土相對密實度Dr彡0.30、粉土孔隙比彡0.92 ；
(3)在所述裂隙法向約束板圓弧部分之間放置所述已密封含充填裂隙試樣，用所述剛性連接桿穿過約束板對應(yīng)的螺栓孔，在約束板外側(cè)用所述螺母套入剛性連接桿進(jìn)行固定；
(4)利用扭矩扳手對所述裂隙法向壓縮加載裝置上的螺母施加扭矩，可以改變所述充填裂隙的受力狀態(tài)、開度及充填物密實度，由扭矩值可換算得出所述試樣受到的徑向壓力，并利用游標(biāo)卡尺測量裂隙張開度的變形量；
(5)將所述裂隙法向壓縮加載裝置和所述含預(yù)制充填裂隙試樣整體放在MTS815/816電液伺服試驗機上進(jìn)行滲流試驗，試驗開始前，施加一定軸向荷載固定試樣；所述的一定軸向荷載為1.0?2.0ΚΝ ；
(6)選定合理的活塞運行速度，換算得到對應(yīng)的滲流速度和滲流時間，所述的活塞運行速度為0.1?0.7mm.s \利用穩(wěn)態(tài)法測試充填節(jié)理的滲透特性，水流通過充填節(jié)理和上端壓頭后，在側(cè)部出水口流出，使用量杯、天平進(jìn)行水量和流失物的收集測量，利用穩(wěn)態(tài)法公式可以計算出滲透率；具體公式為:kf= Qf nL/ΑΔΡ,式中，kf為滲透率，mm2;Qf為單位時間滲流量，mm3.s S η為動力黏度，MPa.s ；L為試樣高度，mm