一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法
【专利摘要】一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，该方法包括以下步骤：1）通过实验绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤；2）绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图；3）通过步骤2）得到的岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图和步骤1）得到的岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图得知岩样在加载过程中孔隙率的变化情况，从而得出岩样不同位置的受损伤的程度，实现循环加载过程中岩样损伤的实时测量。本发明提供的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，采用该无损检测技术以岩石表面的表观现象反映岩石在受力过程中孔隙率的变化情况从而表征岩石在受力过程中损伤程度。
【专利说明】一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩样损伤测量方法，尤其是一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法。
【背景技术】
[0002]岩石受力破坏的过程中是一个从微损伤开始逐渐至岩样破坏的损伤累积过程，岩石的损伤则反映出岩石在受力过程中的破坏情况，而且采用无损于岩样的方法获得反映岩石的损伤过程便成了工程中的一个难题。如今使用较多的无损测试方法采用超声波速获取岩石内部是否有损伤，但并不能反映出岩样损伤的相应位置，且其测试的方法较为繁琐，不能实时的测试出岩石的损伤状况。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，采用该无损检测技术以岩石表面的表观现象反映岩石在受力过程中孔隙率的变化情况从而表征岩石在受力过程中损伤程度，为以后工程实践应用中测量岩体受地应力作用造成岩石损伤提供一个简单实用的方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，该方法包括以下步骤:
1)通过定量的溶液在岩样上滴定后溶液在其表面形成的扩散半径作为评价岩样渗透过程的指标，进行实验绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤；
2)对岩样进行循环加载，采用定量的溶液在经不同压力加载后的岩样进行滴定，得到滴定后溶液在其表面形成的扩散半径，绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图；
3)通过步骤2)得到的岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图和步骤I)得到的岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图得知岩样在加载过程中孔隙率的变化情况，从而得出岩样不同位置的受损伤的程度，实现循环加载过程中岩样损伤的实时测量。
[0005]步骤I)由以下步骤组成:
1-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度，同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围；
1-2)取待测筛选岩样若干，用磨刀石轻轻将待滴定面磨平，使其观察不到明显凹凸处，然后用电吹风吹去表面碎屑。滴定点选取岩样上下端面各一处，侧面上选3— 4个点；
1-3)制备不与岩样反应的有色溶液，将处理好的岩样放入滴定装置中进行固定，用微升计在烧杯中抽取适量有色溶液，待所有毛细滴管内液面降低为零后取出岩样切片；
1-4)利用准备的测半径硫酸纸放置于岩石切片上记录滴定半径并用相机拍下最终滴定形成的渗透形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，切片岩样的孔隙率用常规的孔隙率测定方法测定；
1-5)通过多组的滴定，且每组实验都在同一岩样上进行以尽量避免个体的离散型造成的差异，统计不同孔隙率大小岩样的滴定扩散半径大小，绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤。
[0006]步骤1-4)中采用的常规的孔隙率测定方法为比重瓶法。
[0007]步骤2)由以下步骤组成:
2-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度，同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围；
2-2)选取岩石试样，选取钻取并打磨合格的砂岩试样，试样尺寸为直径50mm,高度100mm,要求试样端部表面平整度偏差，高度偏差符合照规范要求，其测得的孔隙率两两差异不大于10% ；
2-3)在进行单轴压缩之前须在岩石的侧面进行滴定以作后期数据对比:用磨砂纸擦拭岩石表面后用吹风机吹去表面碎屑，将处理过的岩石放置于桌上，选择岩石侧面的实验测点；用微升计取IOml溶液，将微升计的针头与岩石表面接触，将溶液缓缓滴到岩石侧面，待滴定溶液完全渗入岩石后取下岩样，用测半径硫酸纸盖在岩石侧面，用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点在OMPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-4)在实验机上控制仪器从OMPa加载至20MPa后停止加载，保持岩石轴向受力不变，用磨砂纸轻轻磨拭试件表面，用吹风机吹去表面碎屑。用微升计取配制好的溶液10微升慢慢注射于步骤2-3)中选取的岩石侧面的实验测点，待注射的溶液最终渗入岩石内部后侧面滴定完成，关掉岩石压缩仪器取出岩样并将测半径硫酸纸小心覆盖在岩石侧面，并用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点在20MPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-5)重复步骤2-4)得到三个实验测点在40MPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-6)重复步骤2-4)得到三个实验测点在60MPa下滴定扩散半径值；
2-7)根据步骤2-4)、2-5)、2-6)的不同压力(OMPa，20MPa，40，60MPa)下的滴定扩散半径值绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图。
[0008]上述步骤中，将用相机拍摄的溶液在岩样表面所呈形状用AUTO CAD软件描出后与硫酸纸的网格对比从而数出所呈形状的面积S，再利用面积公式S = m.2得到滴定的平均半径r，即滴定扩散半径。
[0009]本发明的方法可实时测量岩石在受力过程中的损伤过程变化，众所周知孔隙率是反映岩石特性的一个重要参数，特定的岩样其孔隙率大小一般也在某一个区间范围内，岩石在加载过程中其孔隙率也会由于受力的作用而发生变化，且在岩石的不同位置有差异，即岩石的损伤总是伴随着孔隙率的变化，因此从岩石孔隙率的变化反映岩石的损伤有着相应的理论基础。
[0010]本发明的方法则是考虑当定量的溶液在岩石上滴定后溶液在其表面形成的扩散形状、扩散半径(或平均半径)作为评价渗透过程的指标，以这种无损于岩石的技术反映其与岩石孔隙率之间的关系。而当岩石受力作用后造成岩石内部损伤致使内部结构变得紧密，此时的岩石孔隙率等也会因为受力作用发生变化，则当溶液在岩石表面形成的形状、半径同样发生变化。
[0011]本发明提供的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，有益效果如下:
1、实现了无损检测，检验测量过程无需破坏试样，而一般的孔隙率检测技术通常要损坏试件，该方法可实时检测加载过程的任一时刻的岩石损伤状况，并且由于是无损测试，可以通过多组实验获得多组数据来反映岩石不同部位的损伤程度。
[0012]2、通过AUTO CAD软件处理相机拍下的图片，采用硫酸纸换算面积得到滴定扩散半径，该过程可以将曲面面积转换成平面面积，得到的值也更加准确。
[0013]3、采用测半径硫酸纸的优势:当滴定面为水平面时，其滴定扩散半径一般呈较规则的圆形或椭圆形，利用千分尺等工具即可方便的得到结果。而当滴定面为弧形面，例如圆柱侧面时，利用千分尺等工具将无法进行量取，此时利用硫酸纸来读取扩散半径将更快捷，且结果更加精确。
[0014]4、本测量方法可以在岩样轴向进行多点测试,对岩样性质反映全面,从而减小岩石大小造成的尺寸效应的影响，从而得出岩样在受力方向与受力点的不同距离点损伤情况。
[0015]5、费用低廉，无需高成本仪器和工具，检测方式简单，对于孔隙率差异较大的岩体损伤检测结果具有非常直观的表现性，区分度很高。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明步骤1-2)中选取的三个岩样的示意图；
图2为本发明步骤I)绘制出的岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图；
图3为本发明步骤2)中在岩样的示意图，岩样上选取有三个实验测点，上端部一个，中端部一个，下端部一个；
图4为本发明步骤2)绘制出的岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图。
【具体实施方式】
[0017]一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，该方法由以下步骤组成:
I)通过定量的溶液在岩样上滴定后溶液在其表面形成的扩散半径作为评价岩样渗透过程的指标，进行实验绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤。
[0018]步骤I)由以下步骤组成:
1-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度(一般取室内温度在20°c—23°C)，同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围；
1-2)取待测筛选岩样三个(如图1所示)，用磨刀石轻轻将待滴定面磨平，使其观察不到明显凹凸处，然后用电吹风吹去表面碎屑。滴定点选取岩样上下端面各一处，侧面上选3—4个点；
1-3)制备不与岩样反应的红色溶液(采用诱惑红色素，由于其为红色，易明显观察出在岩样上扩散的形状，与岩石不发生反应，将色素与水按照1:500比例混合于烧杯中，搅拌均匀后得到红色溶液)，将处理好的岩样放入滴定装置中进行固定，用微升计在烧杯中抽取适量有色溶液，待所有毛细滴管内液面降低为零后取出岩样切片；
1-4)利用准备的测半径硫酸纸放置于岩石切片上记录滴定半径并用相机拍下最终滴定形成的渗透形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，。切片岩样的孔隙率用常规的孔隙率测定方法测定，得到三组岩样的孔隙率分别为6.22%,7.23%、11.21% ；
1-5)通过三组的滴定，且每组实验都在同一岩样上进行以尽量避免个体的离散型造成的差异，统计不同孔隙率大小岩样的滴定扩散半径大小，绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图(如图2所示)，从图中表征岩石的内部损伤。
[0019]步骤1-4)中采用的常规的孔隙率测定方法为比重瓶法。
[0020]2)对岩样进行循环加载，采用定量的溶液在经不同压力加载后的岩样进行滴定，得到滴定后溶液在其表面形成的扩散半径，绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图。
[0021]步骤2)由以下步骤组成:
2-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度(一般取室内温度在200C —23°C),同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围；
2-2)选取岩石试样(如图3所不),选取钻取并打磨合格的砂岩试样,试样尺寸为直径50mm,高度100mm，要求试样端部表面平整度偏差，高度偏差符合照规范要求，其测得的孔隙率两两差异不大于10% ；
2-3)在进行单轴压缩之前须在岩石的侧面进行滴定以作后期数据对比:用磨砂纸擦拭岩石表面后用吹风机吹去表面碎屑，将处理过的岩石放置于桌上，选择岩石侧面的实验测点1、2、3 (如图3所示);用微升计取IOml溶液，将微升计的针头与岩石表面接触，将溶液缓缓滴到岩石侧面，待滴定溶液完全渗入岩石后取下岩样，用测半径硫酸纸盖在岩石侧面，用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点1、2、3 (如图3所示)在OMPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-4)在实验机上控制仪器从OMPa加载至20MPa后停止加载，保持岩石轴向受力不变，用磨砂纸轻轻磨拭试件表面，用吹风机吹去表面碎屑。用微升计取配制好的溶液10微升慢慢注射于步骤2-3)中选取的岩石侧面的实验测点，待注射的溶液最终渗入岩石内部后侧面滴定完成，关掉岩石压缩仪器取出岩样并将测半径硫酸纸小心覆盖在岩石侧面，并用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点1、2、3 (如图3所示)在20MPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-5)重复步骤2-4)得到三个实验测点1、2、3 (如图3所示)在40MPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；
2-6)重复步骤2-4)得到三个实验测点1、2、3 (如图3所示)在60MPa下滴定扩散半径
值；
统计上述步骤2-3)，2-4)，2-5)及2-6)的每组轴向压力下所得数据统计如下:
表一不同轴向压力下岩样的扩散半径值
【权利要求】
1.一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 1)通过定量的溶液在岩样上滴定后溶液在其表面形成的扩散半径作为评价岩样渗透过程的指标，进行实验绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤； 2)对岩样进行循环加载，采用定量的溶液在经不同压力加载后的岩样进行滴定，得到滴定后溶液在其表面形成的扩散半径，绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图； 3)通过步骤2)得到的岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图和步骤I)得到的岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图得知岩样在加载过程中孔隙率的变化情况，从而得出岩样不同位置的受损伤的程度，实现循环加载过程中岩样损伤的实时测量。
2.根据权利要求1所述的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，其特征在于步骤I)由以下步骤组成: 1-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度，同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围； 1-2)取待测筛选岩样若干，用磨刀石轻轻将待滴定面磨平，使其观察不到明显凹凸处，然后用电吹风吹去表面碎屑，滴定点选取岩样上下端面各一处，侧面上选3— 4个点； 1-3)制备不与岩样反应的有色溶液，将处理好的岩样放入滴定装置中进行固定，用微升计在烧杯中抽取适量有色溶液，待所有毛细滴管内液面降低为零后取出岩样切片； 1-4)利用准备的测半径硫酸纸放置于岩石切片上记录滴定半径并用相机拍下最终滴定形成的渗透形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，切片岩样的孔隙率用常规的孔隙率测定方法测定； 1-5)通过多组的滴定，且每组实验都在同一岩样上进行以尽量避免个体的离散型造成的差异，统计不同孔隙率大小岩样的滴定扩散半径大小，绘制岩石孔隙率与滴定扩散半径关系图，从图中表征岩石的内部损伤。
3.根据权利要求2所述的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，其特征在于:步骤1-4)中采用的常规的孔隙率测定方法为比重瓶法。
4.根据权利要求1或2所述的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，其特征在于步骤2)由以下步骤组成: 2-1)用温度计测室内温度并利用空调调节温度至适宜温度，同时采用湿度计测量室内湿度，用空气蒸湿机和石灰来调节湿度在适宜范围； 2-2)选取岩石试样，选取钻取并打磨合格的砂岩试样，试样尺寸为直径50mm,高度100mm,要求试样端部表面平整度偏差，高度偏差符合照规范要求，其测得的孔隙率两两差异不大于10% ； 2-3 )在进行单轴压缩之前须在岩石的侧面进行滴定以作后期数据对比:用磨砂纸擦拭岩石表面后用吹风机吹去表面碎屑，将处理过的岩石放置于桌上，选择岩石侧面的实验测点(1，2，3);用微升计取IOml溶液，将微升计的针头与岩石表面接触，将溶液缓缓滴到岩石侧面，待滴定溶液完全渗入岩石后取下岩样，用测半径硫酸纸盖在岩石侧面，用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点(1，2，3)在OMPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；2-4)在实验机上控制仪器从OMPa加载至20MPa后停止加载，保持岩石轴向受力不变，用磨砂纸轻轻磨拭试件表面，用吹风机吹去表面碎屑；用微升计取配制好的溶液10微升慢慢注射于步骤2-3)中选取的岩石侧面的实验测点(1，2，3)，待注射的溶液最终渗入岩石内部后侧面滴定完成，关掉岩石压缩仪器取出岩样并将测半径硫酸纸小心覆盖在岩石侧面，并用相机拍下所呈图形形状，从测半径硫酸纸上得出滴过程形成的不规则图形各向半径，计算三个实验测点(1，2，3)在20MPa下滴定扩散半径值，清洗干净岩样表面的有色溶液；2-5)重复步骤2-4)得到三个实验测点(1，2，3)在40MPa下滴定扩散半径值，，清洗干净岩样表面的有色溶液； 2-6)重复步骤2-4)得到三个实验测点(1，2，3)在60MPa下滴定扩散半径值； 2-7)根据步骤2-4)、2-5)、2-6)的不同压力下的滴定扩散半径值绘制出岩样在加载过程中滴定扩散半径与轴向压力值关系图。
5.根据权利要求4所述的一种循环加载过程中岩样损伤的实时测量方法，其特征在于:将用相机拍摄的溶液在岩样表面所呈形状用AUTO CAD软件描出后与硫酸纸的网格对比从而数出所呈形状的面积S，再利用面积公式S = m2得到滴定的平均半径r， 即滴定扩散半径。
【文档编号】G01N3/32GK103512816SQ201310480353
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】刘杰, 郭金龙, 李建林, 唐亮 申请人:三峡大学