岩石渗流应力耦合过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法与流程

本发明涉及一种渗透率与孔隙率关系的确定方法，特别涉及一种岩石渗流应力耦合过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法，属于岩土工程领域。

背景技术：

工程岩体赋存在地下水环境下，岩体受到复杂应力场和渗流场的相互耦合作用。岩石在外荷载下的渗流应力耦合特性往往是大致大规模岩石失稳破坏和地质灾害的主要原因。探寻渗流应力耦合机制，建立岩石渗流应力耦合模型，应用于工程实践，具有十分重要的工程价值和科学意义。

岩石渗流应力耦合的过程中，渗透率和孔隙率是两个关键的参数。孔隙率是连接应力场和渗流场之间的桥梁。室内试验是认识岩石特性的一个有效的途径，而如何基于试验研究，建立渗透率和孔隙率之间的关系，是一个研究的热点问题。目前关于渗透率和孔隙率关系的确定方法很少，且主要是针对两者在静态下的关系，而岩石渗流应力耦合过程中岩样内部是一个动态变化的过程，基于静态下两者关系的确定方法无法用于动态过程中两者关系的确定，因此，目前缺乏动态下渗透率与孔隙率关系的确定方法。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种岩石渗流应力耦合过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法。

技术方案：本发明所述的一种岩石渗流应力耦合过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法，包括如下步骤：

(1)选取需研究区域的岩样，测试其初始孔隙率；

(2)将岩样置于岩石三轴流变试验装置中，施加围压和渗压，测试其初始渗透率；

(3)对岩样施加轴向载荷，开展岩石三轴渗流应力耦合实验，直至岩样破坏，试验过程中记录岩样的应力、轴向应变、环向应变及每时刻通过岩样的水流量；

(4)根据记录值计算岩样渗流应力耦合过程中每时刻的渗透率及体积应变，获得该过程中渗透率与体积应变的关系曲线；

(5)根据岩样渗流应力耦合过程中的体积应变值计算该过程中岩样的孔隙率；

(6)建立渗流应力耦合过程中渗流率与孔隙率的关系。

上述步骤(1)中，岩样的初始孔隙率可通过饱水试验测得，测试方法为：先称量岩样的初始重量，然后将岩样烘干、获得其干燥重量，接着放入真空抽气罐中干抽，再慢慢注入蒸馏水，使岩样充分饱水后称量岩样的饱水重量；根据下式计算岩样的初始孔隙率n0：

其中，ms和md分别为岩样的饱和重量和干燥重量，ρw为水的密度，vp和v分别为岩样的孔隙体积和总体积。

上述步骤(2)中，岩样的初始渗透率测试过程为：持续施加围压和渗压，待岩样两端形成了稳定的渗流场后，记录单位时间内通过岩样的水流量，基于达西定律计算得到岩样的初始渗透率。

上述步骤(4)中，可根据达西定律计算得到岩样渗流应力耦合过程中每时刻的渗透率，根据轴向应变与环向应变得到岩样的体积应变。岩样在渗流应力耦合过程中，渗透率经历开始逐渐变小，后稳定波动，最后稳定增长阶段；体积应变以体积扩容点为界，经历压缩和扩容两个阶段。以体积扩容点分界，渗透率的变化可分为2个阶段。

较优的，步骤(5)中，岩样的孔隙率与体积应变的关系满足下式：

式中，ni+1和ni分别为岩样在ti+1和ti时刻对应的孔隙率，δεv为对应这个时间间隔内岩样的体积应变变化值。可以看出，岩石在渗流应力耦合过程中，孔隙率是一个动态的变化过程，与前一时刻的孔隙率以及体积应变密切相关。

具体的，步骤(6)中，以体积扩容点为分界点，将渗透率和孔隙率的变化分为2个阶段，分阶段进行拟合，得到渗透率和孔隙率的关系表达式，拟合公式为：

上式中，k和n为渗透率和孔隙率，k0和n0为初始渗透率和初始孔隙率，a、b、m为拟合参数。其中，体积扩容点为岩样的塑性变形点，其对应步骤(4)获得的渗透率与体积应变关系曲线中的拐点。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明基于室内渗流应力耦合试验结果提供了一种动态过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法，该方法以岩石体积应变为桥梁，先建立体积应变与渗透率的关系，并通过体积应变的变化规律计算得到孔隙率的变化规律，然后以体积扩容点为界点，将渗透率和孔隙率的变化进行阶段划分，利用函数拟合分阶段确定岩石渗流应力耦合过程中渗透率和孔隙率的关系表达式；该方法通过建立渗透率和孔隙率的关系，将岩石渗流应力耦合过程中渗流场和应力场连接起来，对于岩石渗流应力耦合机理的认识、渗流应力耦合模型的建立具有工程实践意义。

附图说明

图1为实施例中岩石渗流应力耦合过程中岩样的环向应变、轴向应变、应力及渗透率的变化曲线；

图2为实施例中体积应变-应力关系曲线及体积应变-渗透率关系曲线；

图3为实施例中岩样孔隙率的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的岩石渗流应力耦合过程中渗透率与孔隙率关系的确定方法，从岩石体积应变出发，获得孔隙率的演化规律，进而将岩石渗流应力耦合过程中渗流场和应力场连接起来，对于岩石渗流应力耦合机理的认识、渗流应力耦合模型的建立具有参考价值。

该方法具体包括如下步骤：

(1)选取需研究区域的岩样，测试其初始孔隙率；

通过饱水试验测试，方法为：先称量岩样的初始重量，然后将岩样烘干、获得其干燥重量，接着放入真空抽气罐中干抽，再慢慢注入蒸馏水，使岩样充分饱水后称量岩样的饱水重量；根据下式计算岩样的初始孔隙率n0：

其中，ms和md分别为岩样的饱和重量和干燥重量，ρw为水的密度，vp和v分别为岩样的孔隙体积和总体积。

(2)将岩样置于岩石三轴流变试验装置中，施加围压和渗压，测试其初始渗透率；

持续施加围压和渗压，待岩样两端形成了稳定的渗流场后，记录单位时间内通过岩样的水流量，基于达西定律计算得到岩样的初始渗透率。

(3)对岩样施加轴向载荷，开展岩石三轴渗流应力耦合实验，直至岩样破坏，试验过程中记录岩样的应力、轴向应变、环向应变及每时刻通过岩样的水流量；

(4)根据记录值计算岩样渗流应力耦合过程中每时刻的渗透率及体积应变，获得该过程中渗透率与体积应变的关系曲线；

根据达西定律计算得到岩样渗流应力耦合过程中每时刻的渗透率，根据轴向应变与环向应变得到岩样的体积应变。岩样在渗流应力耦合过程中，渗透率经历开始逐渐变小，后稳定波动，最后稳定增长阶段；体积应变以体积扩容点为界，经历压缩和扩容两个阶段。以体积扩容点分界，渗透率的变化可分为2个阶段。

(5)根据岩样渗流应力耦合过程中的体积应变值计算该过程中岩样的孔隙率；

岩样的孔隙率与体积应变的关系为：

式中，ni+1和ni分别为岩样在ti+1和ti时刻对应的孔隙率，δεv为对应这个时间间隔内岩样的体积应变变化值。可以看出，岩石在渗流应力耦合过程中，孔隙率是一个动态的变化过程，与前一时刻的孔隙率以及体积应变密切相关。

(6)建立渗流应力耦合过程中渗流率与孔隙率的关系。

以体积扩容点为分界点，将渗透率和孔隙率的变化分为2个阶段，分阶段进行拟合，得到渗透率和孔隙率的关系表达式，拟合公式为：

上式中，k和n为渗透率和孔隙率，k0和n0为初始渗透率和初始孔隙率，a、b、m为拟合参数。其中，体积扩容点为岩样的塑性变形点，其对应步骤(4)获得的渗透率与体积应变关系曲线中的拐点。

实施例

(1)取研究区域岩芯样加工成直径*高为50mm*100mm的圆柱试样，称重得到其初始重量为m＝414.45g；

(2)将岩样放入烘干机中烘干8小时，称重得到岩样的干燥重量为md＝408.65g；放入真空抽气罐中干抽6小时，再慢慢注入蒸馏水，使岩样浸泡在蒸馏水中24小时让其充分饱水，后称量岩样的饱水重量ms＝430.43g；

(3)计算得到岩样的初始孔隙率

(4)将岩样放入岩石全自动三轴流变伺服试验机内，施加围压6mpa，渗压1.5mpa。渗压施加后保持12小时，保证岩石处于稳定渗流状态。通过稳定阶段岩样渗入岩样内部出水量的变化，测得岩样的初始渗透率为k0＝1.98×10^–17。

(5)以0.02mm/min的速率施加轴向荷载至岩样破坏。在整个加载过程中，记录岩石的轴向应变、环向应变、应力以及出水量的变化，如图1。

(6)计算得到岩样的渗透率和体积应变，获得渗透率和体积应变的变化曲线。

图1显示了渗透率的变化曲线，在渗流应力耦合过程中，岩样首先被压缩渗透率降低，然后有一个稳定的波动阶段，最后是一个快速增长阶段。图2显示了体积应变随应力的变化曲线以及体积应变与渗透率的关系曲线，可以看到，渗流应力耦合过程，体积应变经历压缩和扩容两个阶段，以体积扩容点为界；其中，体积应变与渗透率关系曲线的拐点(b点)对应本实施例的体积扩容点。

(7)计算获得岩样的整个渗流应力耦合过程中的孔隙率。孔隙率和体积应变的关系如下：

以孔隙率与轴向应变的关系示例，如图3，从图中可以看出，岩样的孔隙率经历了先逐渐变小后逐渐增大两个阶段。

(8)建立渗透率和孔隙率的关系。以体积扩容点为界点，将渗透率和体积应变的变化分为两个阶段，通过分阶段拟合，得到渗透率和孔隙率的关系，表达式如下

本实施例拟合得到的各参数结果如下，其中r2为拟合结果的相关系数，均为0.99，表示拟合结果很好。