米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法与流程

本发明属于渗流研究技术领域，具体涉及一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法。

背景技术：

介质的渗透特性是介质的基本力学特性。渗流研究属于裂隙介质基本力学特性的研究范畴，其对于介质在不同工况下的渗透特性研究起着基础性的指导作用。对于岩石类含裂隙的准脆性材料，渗透性能是决定工程岩体长期安全性的重要因素。评价工程岩体长期稳定性的渗透参数是通过进行裂隙岩体的渗透试验而获得的，特别涉及到大尺度(米级尺度)岩体的渗透性能，其对于研究裂隙介质的渗透特性具有至关重要的意义。

现有用于岩体渗透性能测试的试验方法，其测量的对象为较小尺度下(厘米级尺度)的裂隙岩体，采用的测试方法是包裹体方式，即将裂隙岩体包裹在一定体积的空腔内，从空腔一端注入水流，从另一端出水，其测得的渗透性能并不能反映在较大尺度下(米级尺度)裂隙岩体的渗透特性。并且渗透性能计算方法采用的往往是经典的达西定律，将其运用于工程上时并不准确，影响测量结果实际应用的科学性。

如何在米级尺度的岩体中进行岩石的渗透试验涉及到了一系列的理论及试验技术难题，亟须解决。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题为：提供一种可用于米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，以实现对米级尺度岩体渗透特性的准确测定工作。

本发明的技术方案如下所述：

一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，包括以下步骤：

步骤1

供试验的裂隙岩体分为上、下两部分，即上部岩体和下部岩体，上部岩体和下部岩体材质相同、尺寸相同，二者上下对齐叠置；上部岩体内部设有若干个竖直方向贯通的通孔，其中，一部分通孔为进水孔，其余通孔为出水孔；下部岩体上表面设有试验凹区，其低于下部岩体上表面其余区域，试验凹区边缘设有凹槽供密封圈实现试验凹区的圈封；上部岩体的所有通孔的下端口，均处于下部岩体的试验凹区内；上部岩体下表面与下部岩体试验凹区形成水流流经区域，上部岩体下表面与下部岩体上表面其余区域紧密接触；

步骤2

向上部岩体上表面施加竖直向下的法向加载力，向下部岩体下表面施加竖直向上的法向加载力；

步骤3

开启切向加载力，剪切上部岩体与下部岩体至一定水平方向的位移。

步骤4

开启渗透水流，对裂隙岩体施加渗透水压，使水流从上部岩体的进水孔上端口流至下端口，然后在上部岩体下表面与下部岩体上表面的试验凹区形成的水流流经区域内流动，从上部岩体的出水口下端口流至上端口；采集流入水流、流出水流的渗透试验参数。

作为优选方案：步骤1中，上部岩体和下部岩体的长、宽尺寸均达到米级尺度。

作为优选方案：步骤1中，上部岩体所有通孔孔径一致，且按列呈矩阵排列。

作为优选方案：步骤1中，上部岩体下表面与下部岩体上表面紧密接触的接触面需经过磨平抛光。

作为优选方案：步骤4中，在渗流过程中，配合调节法向加载力、切向加载力与渗透水压，使得水流保持平稳流动状态；在稳定流速状态下，根据渗流达西定律及立方定律，得到适宜于本试验过程的渗透系数计算理论体系。

作为优选方案：步骤4中，渗透试验参数包括流速、流量及水压。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，能够准确测量并获得具有天然粗糙裂隙表面的岩体在渗透试验过程中的渗透参数等试验数据；

(2)本发明的一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，能够使各种尺度下的岩体，特别是米级尺度下裂隙岩体的渗透性能测试得以实现；

(3)本发明的一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，根据建立的新的渗透理论计算体系，可以获得渗透试验过程中，该裂隙岩体的渗透系数；

(4)本发明的一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，不仅操作方便、测量便捷，而且测量结果准确可靠，特别适合于岩石、混凝土类准脆性材料的渗透性能测试。

附图说明

图1为本发明方法涉及的试验物品布局示意图；

图2为上部岩体的俯视图

图3为岩石样品起吊操作示意图。

图中，1-上部岩体，2-下部岩体，3-水流流经区域，4-通孔，5-凹槽，6-试验凹区，7-行吊，8-支柱，9-吊钩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法进行详细说明。

本实施例中的米级尺度裂隙介质的法向应力-剪切应力-渗透试验方法，包括以下步骤：

步骤1

供试验的裂隙岩体分为上、下两部分，即上部岩体1和下部岩体2。上部岩体1和下部岩体2材质相同、尺寸相同，二者上下对齐叠置。具体而言，上部岩体1和下部岩体2的长、宽尺寸均可达到米级尺度。

上部岩体1内部设有若干个竖直方向贯通的通孔4，其中，一部分通孔4为进水孔，其余通孔4为出水孔，本实施例中所有通孔4孔径一致，且按列呈矩阵排列。下部岩体2上表面设有试验凹区6，其低于下部岩体2上表面其余区域，试验凹区6边缘设有凹槽5供密封圈实现试验凹区6的圈封。上部岩体1的所有通孔4的下端口，均处于下部岩体2的试验凹区6内。上部岩体1下表面与下部岩体2试验凹区6形成水流流经区域3，上部岩体1下表面与下部岩体2上表面其余区域紧密接触，本实施例中接触面需经过磨平抛光。

步骤2

采用吊钩9先起吊下部岩体2至试验腔内，再起吊上部岩体1至下部岩体2上方，确保两块岩体的四周边界一一对应。

向上部岩体1上表面施加竖直向下的法向加载力，向下部岩体2下表面施加竖直向上的法向加载力，法向加载力加载至一定值后稳定该数值。

步骤3

开启剪切加载力，剪切上部岩体1与下部岩体2至一定水平方向的位移后稳定该切向加载力数值。需要说明的是上部岩体1与下部岩体2虽然存在水平方向的移位，但上部岩体1的所有通孔4的下端口，仍均处于下部岩体2的试验凹区6内。

步骤4

开启渗透水流，对裂隙岩体施加渗透水压，即使水流从上部岩体1的进水孔上端口流至下端口，然后在上部岩体1下表面与下部岩体2上表面的试验凹区6形成的水流流经区域3内流动，从上部岩体1的出水口下端口流至上端口。

通过流量监测器及水压力传感器，可以获得流入水流、流出水流的流速、流量及水压等渗透试验参数。

本实施例中，在渗流过程中，需密切关注法向加载力、剪切加载力与渗透水压数值，互相配合调节，使得水流保持平稳流动状态，防止出现紊流等不规则流动现象。在稳定流速状态下，根据渗流达西定律及立方定律，得到适宜于本试验过程的渗透系数计算理论体系。

技术特征：

技术总结
本发明属于渗流研究技术领域，具体涉及一种米级尺度裂隙介质的法向应力‑剪切应力‑渗透试验方法。本发明的方法配合调节对米级尺度裂隙介质的法向加载力、切向加载力与渗透水压，采集流入水流、流出水流的渗透试验参数。本发明能够准确测量并获得具有天然粗糙裂隙表面的岩体在渗透试验过程中的渗透参数等试验数据，特别适合米级尺度下裂隙岩体的渗透性能测试。

技术研发人员：满轲;苏锐
受保护的技术使用者：核工业北京地质研究院
技术研发日：2017.12.15
技术公布日：2019.06.25