温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试系统和测试方法

摘要

本发明公开了一种温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试系统，包括冻胀力测试装置和渗透测试装置；渗透测试装置包括装载待测岩石试件的压力室、压力加载装置、渗透压加压及测量装置、水浴加热装置、超声损伤测试装置和数据采集装置。本发明公开了温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试系统和测试方法，利用冻胀力测试装置对岩石进行反复冻融实验后测量该岩石试件的冻胀力变化，再将岩石放置于压力室内，利用压力加载装置对岩石试件施加压力、在不同温度的流动液体和压力作用下，实现岩石渗透系数k的测定和超声波波速传播时间t的测定，从而研究岩石的渗透性和损伤情况。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石渗透测试装置及测试方法，尤其涉及温度应力环向渗流耦 合作用下岩石损伤与渗透测试系统和测试方法。

背景技术

在寒区的富水区地下隧道修建过程中，在开挖扰动下围岩应力场进行二次 分布，同时存在温度、渗流对围岩影响的问题，这些因素共同作用下给工程安 全带来重大影响。对这类问题的评价与预测，需要对复杂耦合条件下岩石的渗 透性和损伤特性进行深入探索研究。从岩石温度、应力和渗流多场耦合和损伤 相结合的角度出发，才能够更好地从根本上解决工程中遇到的问题。

岩体的渗透系数不仅是岩体介质本身特征的函数，也是表征通过岩体介质 中流动的流体的特征函数，渗透系数与流体的运动粘滞系数成反比，而运动粘 滞系数又是温度的函数。岩体的渗透系数是液体温度的函数，温度通过影响岩 体的渗透系数而影响渗流场的分布，同时由于温度差形成的温度势梯度本身也 会造成水的流动，由于温度势本身就是较为复杂的问题，温度对水流运动也有 影响。

研究岩石多场耦合作用下渗透性、损伤特性具有重要的实际意义。对于这 种复杂耦合作用下的研究，离不开试验设备的创新和研究。目前，关于耦合条 件下的试验设备已有不少，但是没有统一标准、测试性能良莠不齐，很少部分 的试验设备能够供人们普遍使用，大多研制也只是停留在特定问题的研究。了 解已有公开介绍的试验设备，涉及温度、应力、环向渗流作用，并且能够实时 测量岩石损伤的试验装置还没有见到公开报道。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种温度应力环向渗流耦合作用 下岩石损伤与渗透测试系统，包括冻胀力测试装置，以及与所述冻胀力测试装 置配合使用的渗透测试装置；

所述渗透测试装置包括装载待测岩石试件的压力室、压力加载装置、渗透 压加压及测量装置、水浴加热装置、超声损伤测试装置和数据采集装置；所述 压力加载装置、渗透压加压及测量装置、超声损伤测试装置和数据采集装置分 别与压力室相连接，所述水浴加热装置与渗透压加压及测量装置相连接。

所述压力室的底部固定连接有液压油缸；所述压力加载装置包括：油箱， 所述油箱内设置有出油过滤器和回油过滤器，所述出油过滤器和回油过滤器分 别与电磁换向阀相连接，所述电磁换向阀通过出油管和回油管与液压油缸相连 接；出油过滤器和电磁换向阀之间依次设置有液压油泵和单向阀I，所述电磁换 向阀与液压油缸之间依次设置有截止阀I和远程调速阀；所述电磁换向阀与回油 过滤器之间设置有先导溢流阀和远程调压阀。

所述渗透压加压及测量装置包括液压水泵、截止阀II、单向阀II，所述液压 水泵与压力室的进液口相连通，所述液压水泵与压力室之间依次设置有单向阀 II和截止阀II，所述截止阀II与压力室之间设置有渗透压压力表。

所述压力室包括一中空的容纳岩石试件的缸体，所述缸体内部的底部和顶 部分别活动连接有传力柱I和传力柱II，所述传力柱I和传力柱II分别沿所述 缸体向外延伸，所述传力柱I和传力柱II之间设置有放置中空裂隙岩石试件的 容纳空间，所述传力柱I的上端面和传力柱II的下端面上分别设置有凹槽I和 凹槽II，所述凹槽I和凹槽II内设置有橡胶密封圈，所述缸体上设置有上端盖 和下端盖，所述上端盖和下端盖与缸体之间设置有多个密封圈。

所述传力柱I和传力柱II内分别设置有超声波探头I和超声波探头II，所 述超声波探头I和超声波探头II与所述超声损伤测试装置相连接。

所述缸体具有进液口和出液口，所述缸体通过进液口与所述液压水泵相连 接，所述出液口连接有流量计。

所述数据采集装置包括位移传感器和压力传感器。

一种温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试方法，包括以下步 骤：

步骤1：将标准岩石预制成各种具有不同排布裂隙的中空的岩石试件；

步骤2：将步骤1中预制的岩石试件装载在冻胀力测试装置内，进行反复冻 融，实时在线检测反复冻融过程中岩石试件的冻胀力变化；

步骤3：将岩石试件从冻胀力测试装置内取出，装载在压力室内，利用轴向 加载装置对岩石试件施加预设定压力，将岩石试件被密封设置在缸体内；

步骤4：启动水浴加热装置调节试验所需的液体温度T，为渗透压下检测提 供渗透液；

步骤5：利用渗透压加压及测量装置对岩石试件施加渗透压，测量缸体内液 体的渗出量Q；同时利用超声损伤测试装置测定在渗透压作用下的声波在岩石 试件中的初始传播时间t₀；

步骤6：对岩石试件施加轴向压力，通过位移传感器和压力传感器采集位移 数据和压力数据；通过超声损伤测试装置记录加载过程中声波的传播时间t和不 同液体温度T下液体的渗流量Q，根据测量数据声波传播时间t计算出波速，根 据测量的渗透压力P和渗流量Q计算渗透率k，从而分析在温度应力环向渗流 耦合作用岩石渗透性的变化情况。

由于采用了上述技术方案，本发明公开了温度应力环向渗流耦合作用下岩 石损伤与渗透测试系统和测试方法，利用冻胀力测试装置对岩石进行反复冻融 实验后测量该岩石试件的冻胀力变化，再将岩石放置于压力室内，利用压力加 载装置对岩石试件施加压力、在不同温度的流动液体和压力作用下，实现岩石 渗透系数k的测定和超声波波速传播时间t的测定，从而研究岩石的渗透性和损 伤情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中岩石损伤与渗透测试系统的结构示意图。

图2为本发明中渗透测试装置的结构示意图。

图3为本发明中压力室与本发明系统中多个装置的连接示意图。

图4为本发明中冻胀力测试装置的结构示意图。

图5为本发明中压力室的结构示意图。

图6为本发明中压力加载装置的结构示意图。

图7本发明中渗透压加压及测量装置的结构示意图。

图8为本发明中岩石损伤与渗透测试系统的测试方法的流程图。

图中：100.冻胀力测试装置；200.渗透测试装置；1.压力加载装置；2.压力 室；3.渗透压加压及测量装置；4.水浴加热装置；5.超声损伤测试装置；6.数据 采集装置；2-1.液压油缸；10.出油管；11.油箱；11-1.出油过滤器；11-2.回油过 滤器；12.液压油泵；13.单向阀I1；14.截止阀I；15.远程调速阀；17.电磁换向阀； 18.先导溢流阀；19.远程调压阀；10.1.回油管；31.液压水泵；32.截止阀II；33.单 向阀II；34.渗透压压力表；20.缸体；20-1.传力柱I；20-2.传力柱II；27.容 纳空间；20.1凹槽I；20.2凹槽II；20.3.橡胶密封圈；20.4.上端盖；20.5下 端盖；20.6密封圈；12-1.超声波探头I；12-2.超声波探头II；20.7进液口； 20.8出液口；23.流量计。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示，一种岩石损伤与渗透测试系统，包括冻胀力测试装置100和 渗透测试装置200，在本发明中冻胀力测试装置100为申请号：2013206217889， 专利名称：一种饱水岩石冻胀力实时在线测试装置中公开的现有技术，如图4 所示为本发明中冻胀力测试装置100的结构示意图，如专利号2013206217889 公开的现有技术中的图形所示。选取现场岩石试样，加工成中空的标准岩石试 件，并预制不同组合形式的裂隙，通过冻胀力测试装置100来测量岩石试件在 冻融过程中的冻胀力的大小。本系统将冻胀力测试装置100与渗透测试装置200 配合使用。

进一步的，如图2和图3所示，渗透测试装置200包括：装载待测岩石试 件的压力室2、压力加载装置1、渗透压加压及测量装置3、水浴加热装置4、 超声损伤测试装置5和数据采集装置6，压力加载装置1与压力室2相连接，渗 透压加压及测量装置3、超声损伤测试装置5和数据采集装置6分别与压力室2 相连接，数据采集装置6可以是计算机，对测试数据进行采集以及计算。水浴 加热装置4与渗透压加压及测量装置3相连接。其中压力室2为申请号为： 2013206173626，名称为：一种岩石损伤和渗透测试装置中公开的现有技术。如 图5所示为本发明中压力室2的结构示意图。在使用时将压力室固定在架体上。 在本发明中将压力室2的底部连接有液压油缸2-1，如图3所示，压力室2通过 液压油缸2-1与压力加载装置1相连接。

进一步的，如图6所示，压力加载装置1包括：油箱11，所述油箱11内设 置有出油过滤器11-1和回油过滤器11-2，所述出油过滤器11-1和回油过滤器 11-2分别与电磁换向阀17相连接，所述电磁换向阀17通过出油管10和回油管 10.1与液压油缸2-1相连接。

进一步的，如图3和图6所示，出油过滤器11-1和电磁换向阀17之间依次 设置有液压油泵12和单向阀I13，所述电磁换向阀17与液压油缸2-1之间依次 设置有截止阀I14和远程调速阀15；所述电磁换向阀17与回油过滤器11-2之 间设置有先导溢流阀18和远程调压阀19。

进一步的，如图3和如图7所示，渗透压加压及测量装置3包括液压水泵 31、截止阀II32、单向阀II33，所述液压水泵31与压力室2的进液口相连通， 所述液压水泵31与压力室2之间依次设置有单向阀II33和截止阀II32，所述 截止阀II32与压力室2之间设置有渗透压压力表34。

进一步的，如图3和图5所示，在工作状态下，将压力室安装在架体上使 用，压力室2包括一中空的容纳岩石试件的缸体20，所述缸体20内部的底部和 顶部分别活动连接有传力柱I20-1和传力柱II20-2，所述传力柱I20-1和传力 柱II20-2分别沿所述缸体20向外延伸，所述传力柱I20-1和传力柱II20-2之 间设置有放置中空裂隙岩石试件的容纳空间27，所述传力柱I20-1的上端面和 传力柱II20-2的下端面上分别设置有凹槽I20.1和凹槽II20.2，所述凹槽 I20.1和凹槽II20.2内设置有橡胶密封圈20.3，所述缸体20上设置有上端盖 20.4和下端盖20.5，所述上端盖20.4和下端盖20.5与缸体20之间设置有多个 密封圈20.6。利用凹槽I20.1和凹槽II20.2内的橡胶密封圈20.3和多个密封 圈20.6的配合作用，使岩石试件被密封设置在缸体20内。

进一步的，所述传力柱I20-1和传力柱II20-2内分别设置有超声波探头 I12-1和超声波探头II12-2，所述超声波探头I12-1和超声波探头II12-2与 所述超声损伤测试装置5相连接。

进一步的，所述缸体20具有进液口20.7和出液口20.8，所述缸体20通过 进液口20.7与所述液压水泵31相连接，所述出液口20.8连接有流量计23。通 过进液口20.7将水浴加热装置6内的液体注入岩石试件内，然后通过出液口 20.8流出，利用流量计23测量渗流量Q。

进一步的，所述数据采集装置6包括位移传感器和压力传感器。

实施例：该岩石损伤与渗透测试系统的测试流程如下：首先将岩石试件加 工成与本系统的装置形状相配合的中空结构，将岩石试件制作成不同形式的特 殊裂隙组合，将岩石试件在冻胀力测试装置100内反复冻融，利用该装置具有 的测力传感器测量冻胀力的大小。然后将岩石试件从冻胀力测试装置100内取 出，放入渗透测试装置200内的压力室2内，并且保证压力室2密封设置。利 用压力加载装置1将压力室2上升到一定高度，保证岩石试件在压力室2内密 封，将压力室2内的测力传感器读数清零，将超声波探头I12-1和超声波探头 II12-2与超声损伤测试装置5相连接，将压力室2的进液口20.7与液压水泵 31连接，液压水泵31与水浴加热装置4相连接，将水浴加热装置4内的温度调 节到实验所需要的温度。打开液压水泵31，在渗流作用下，利用超声损伤测试 装置5和超声波探头I12-1和超声波探头II12-2测试声波传播时间初始值。 利用压力加载装置1对压力室2内的岩石试件施加压力，利用压力表10-1测量 压力大小，施加渗透压，利用超声损伤测试装置5和超声波探头测试在渗透压 作用下的声波传播时间。试验中同步记录声波传播时间、轴向应变、荷载大小 以及不同温度下液体的渗流量，利用流量计23测量渗流量。

其中在压力加载装置1内设置有驱动液压油泵12工作的电机I16，在渗透 压加压及测量装置3内设置有驱动液压水泵31工作的电机II35。

超声波波速V、渗透率k的计算方法和公式，如下：

1.超声波波速V测量损伤需要测定声波在试件中的传播时间，计算得到声 波波速。在上述测试过程中以纵波参数为主，设声波穿过岩石试件后的首波到 达时间为T_p，声波在岩石中的行走距离为L，则纵波可以表示为：V_p＝L/T_p。由 于超声波探头内置于传力柱中，所以需要对传力柱中声波走时进行校正，设测 得的在传力柱中声波走时为T₀，则声速计算为：V_p＝L/(T_p-T₀)。

根据岩石的波速定义损伤变量，损伤变量定义为：

D＝1-V_p/V_p0

式中：V_p和V_p0为岩石的声速及岩石母体的声速。

2.渗透率k的实验室测量有瞬态法和稳态法2种，稳态法测量即是在岩石 试件的两端提供稳定的压差，通过测量的压差(或流量)从而获得岩石的渗透率k， 实验需要的测试时间较长但是测量精度较高，适合于较大渗透率的岩石。本试 验测试选择该种测量方法，根据稳定Darcy定律有计算公式如下：

$Q=A\frac{k}{\mu }\frac{\mathrm{\Delta p}}{\mathrm{\Delta L}}$

式中：Q为流体流量；ΔP为岩芯两端的压差；ΔL为岩芯的长度；A为岩芯横截 面积；k为岩石渗透率；μ为流体的粘滞度。

对上述公式进行适当修正，可获得本装置测量渗透率的计算公式，用试件 外径到内径的距离代替岩芯的长度ΔL，用圆柱试件的表面积代替岩芯横截面积 A。只需要测出单位时间内流体的流量，就可以得到岩石的渗透率k。

如图8所示：一种温度应力和环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗透测试方 法，包括以下步骤：

步骤1：将标准岩石预制成各种具有不同排布裂隙的中空的岩石试件；

步骤2：将步骤1中预制的岩石试件装载在冻胀力测试装置100内，进行反 复冻融，实时在线检测反复冻融过程中岩石试件的冻胀力变化；

步骤3：将岩石试件从冻胀力测试装置100内取出，装载在压力室2内，利 用轴向加载装置1对岩石试件施加预设定压力，将岩石试件被密封设置在缸体 20内；由于压力室2内具有橡胶密封圈20.3和多个密封圈的配合连接，使岩石 试件被密封设置在缸体20内。

步骤4：启动水浴加热装置4调节试验所需的液体温度T，为渗透压下检测 提供渗透液；

步骤5：利用渗透压加压及测量装置3对岩石试件施加渗透压，测量缸体 20内液体的渗出量Q；其中渗出量Q利用流量计23测得。同时利用超声损伤 测试装置5测定在渗透压作用下的声波在岩石试件中的初始传播时间t₀；

步骤6：对岩石试件施加轴向压力，通过位移传感器和压力传感器采集位移 数据和压力数据；通过超声损伤测试装置5记录加载过程中声波的传播时间t 和不同液体温度T下液体的渗流量Q，根据测量数据声波传播时间t计算出波速， 由于波速的变化反映了岩石本身的损伤情况。根据测量的渗透压力P和渗流量 Q计算渗透率k，从而分析在温度应力环向渗流耦合作用岩石渗透性的变化情况。

本发明专利公开的岩石损伤与渗透测试系统及测试方法，可以进行不同应 力水平、渗流液体的不同温度、环向渗透压作用下的岩石损伤和渗透性相关试 验，采用环向渗流的压力室2的特殊结构与不同岩石试件相结合，采用水浴加 热装置4对渗流液体进行温度控制，在测定渗透率的同时，可以测定岩石试件 的轴向超声波速，以此研究岩石试件的损伤特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。