層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù)測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程中巖體各向同性滲透系數(shù)的測試技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 層狀巖體是指構(gòu)造比較簡單的沉積巖，巖層可以成水平或陡傾狀，節(jié)理之間通常 平行或近似平行，巖層可以是固結(jié)的巖石，也可以是沒有固結(jié)的堆積物，層狀巖體的變形和 破壞特征主要受巖層組合和結(jié)構(gòu)面的控制。自然界中的巖體具有層狀結(jié)構(gòu)的約占陸地面積 的2/3,在我國占到77.3%，層狀巖體分布的廣泛性導(dǎo)致在工程建設(shè)中會遇到大量的層狀巖 體穩(wěn)定問題，這些明顯的層狀結(jié)構(gòu)，使層狀巖體的力學(xué)特征極為復(fù)雜如何判斷這些巖體的 穩(wěn)定性，一直是巖石力學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題之一。
[0003] 節(jié)理作為巖層劃分的界面，其反映出巖體在沉積過程中的間斷性，雖然巖層中可 能包含橫切的或不整合節(jié)理，但總體上節(jié)理是高度貫通的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面一般由某一 巖層內(nèi)的礦物組成，顆粒的粗細(xì)、膠結(jié)物的組成基本相同，并且呈現(xiàn)定向排列的特征，這些 定向排列的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、微裂紋等使層狀巖體表現(xiàn)出橫觀各向同性的性質(zhì)，這種性質(zhì)也導(dǎo)致 層狀巖體的滲透系數(shù)沿著節(jié)理方向和垂直節(jié)理方向呈現(xiàn)出不同的滲透性，并且將直接影響 工程的穩(wěn)定性。
[0004] 地下工程開挖以后，由于應(yīng)力調(diào)整會在圍巖中產(chǎn)生損傷，這些損傷會導(dǎo)致圍巖力 學(xué)和水力學(xué)特性發(fā)生變化，而這些變化能夠被定量測試，例如水和氣體的滲透性。但目前對 于層狀巖體滲透系數(shù)的測試裝置仍有沿用針對完整巖體的，無法反映出節(jié)理對于巖體滲透 性的影響，也就無法準(zhǔn)確、客觀地反映出巖體的損傷程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問題是提供一種層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù)測試 裝置，能夠在同一裝置上進(jìn)行水平和垂直兩個方向以及水和氣體兩種介質(zhì)的滲透性測試， 完善了層狀巖體各向同性特征的評價(jià)。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù) 測試裝置，包括用于存儲液體的壓力容器、用于存儲惰性氣體的氣罐和用于放置層狀巖體 試樣的密閉測試容器，所述密閉測試容器的一側(cè)設(shè)有進(jìn)口通道，另一側(cè)設(shè)有水平出口，所述 密閉測試容器的上下兩側(cè)設(shè)有垂直出口，所述垂直出口和所述水平出口均通過聯(lián)通管道連 接至回收容器，所述進(jìn)口通道處設(shè)有用于控制密閉測試容器的總進(jìn)口啟閉的第二控制開 關(guān)，所述第二控制開關(guān)的上游設(shè)有第一壓力表，所述垂直出口處設(shè)有用于控制垂直出口啟 閉的第一控制開關(guān)，所述水平出口處設(shè)有用于控制水平出口啟閉的第三控制開關(guān)，所述回 收容器的入口處設(shè)有用于控制回收容器入口啟閉的第四控制開關(guān)，所述第四控制開關(guān)的上 游設(shè)有第二壓力表，所述壓力容器的出口處設(shè)有用于控制壓力容器出口啟閉的第五控制開 關(guān)，所述壓力容器上連接有第三壓力表，所述氣罐的出口處設(shè)有用于控制氣罐出口啟閉的 第六控制開關(guān)，所述氣罐上連接有第四壓力表。
[0007] 本發(fā)明還提供一種層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù)測試方法，所述方法應(yīng)用上述 測試裝置并包括以下步驟： (1) 將包含層狀節(jié)理的巖體試樣放入密閉測試容器中，保持節(jié)理方向與流體進(jìn)口方向 垂直； (2) 進(jìn)行垂直節(jié)理方向的氣體滲透性測試； (3) 進(jìn)行平行節(jié)理方向的氣體滲透性測試； (4) 進(jìn)行垂直節(jié)理方向的水滲透性測試； (5 )進(jìn)行水平節(jié)理方向的水滲透性測試。
[0008] (6)根據(jù)步驟(2)-(4)的測試結(jié)果對層狀巖體的滲透系數(shù)進(jìn)行整體性評估。
[0009] 在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù) 方案： 所述垂直方向的氣體滲透性測試具體包括以下步驟： 3.1) 關(guān)閉第五控制開關(guān)，開啟第六控制開關(guān)，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 3.2) 關(guān)閉第一控制開關(guān)，開啟第二控制開關(guān)、第三控制開關(guān)和第四控制開關(guān)，使得惰性 氣體在密閉容器內(nèi)沿垂直于巖體試樣的節(jié)理方向上通過； 3.3) 通入一定時(shí)間的氣體，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數(shù)； 3.4) 根據(jù)式（1)計(jì)算垂直節(jié)理方向的層狀巖體氣體滲透系數(shù)；
(1) 式中K為惰性氣體滲透系數(shù)，A為巖樣橫截面面積，L為巖樣長度，分別為1號壓力 表和2號壓力表讀數(shù)，Po為大氣壓力，為氣體的粘度，Q〇為單位時(shí)間內(nèi)的流量。
[0010] 所述水平節(jié)理方向的氣體滲透性測試具體包括以下步驟： 4.1) 關(guān)閉第五控制開關(guān)，開啟第六控制開關(guān)，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 4.2) 關(guān)閉第三控制開關(guān)，開啟第一控制開關(guān)、第二控制開關(guān)和第四控制開關(guān)，使得惰性 氣體在密閉容器內(nèi)沿巖體試樣的節(jié)理方向上通過，并從巖體兩側(cè)的出口滲出； 4.3) 通入一定時(shí)間的氣體，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數(shù)； 4.4) 根據(jù)式(1)計(jì)算水平節(jié)理方向的層狀巖體氣體滲透系數(shù)。
[0011] 所述垂直節(jié)理方向的水滲透性測試具體包括以下步驟： 5.1) 關(guān)閉第六控制開關(guān)，開啟第五控制開關(guān)，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 5.2) 關(guān)閉第一控制開關(guān)，開啟第二控制開關(guān)、第三控制開關(guān)和第四控制開關(guān)，使得水在 密閉容器內(nèi)沿垂直于巖體試樣的節(jié)理方向上通過； 5.3) 通入一定時(shí)間的水，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數(shù)； 5.4) 根據(jù)式(1)計(jì)算垂直節(jié)理方向的層狀巖體水滲透系數(shù)。
[0012] 所述水平節(jié)理方向的水滲透性測試具體包括以下步驟： 6.1) 關(guān)閉第六控制開關(guān)，開啟第五控制開關(guān)，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 6.2) 關(guān)閉第三控制開關(guān)，開啟第一控制開關(guān)、第二控制開關(guān)和第四控制開關(guān)，使得水在 密閉容器內(nèi)沿巖體試樣的節(jié)理方向上通過，并從巖體兩側(cè)的出口滲出； 6.3) 通入一定時(shí)間的水，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數(shù)； 6.4) 根據(jù)式(1)計(jì)算水平節(jié)理方向的層狀巖體水滲透系數(shù)。
[0013] 所述整體性評估步驟包括根據(jù)氣體滲透性測試和水滲透性測試兩種測試方法的 前后順序，將這兩項(xiàng)測試時(shí)間銜接在一起，作為橫坐標(biāo)，而縱坐標(biāo)為根據(jù)專利要求3、4、5、6 計(jì)算獲得的氣體和水滲透系數(shù)，分別建立垂直和水平滲透系數(shù)與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，最終滲 透系數(shù)都將會穩(wěn)定在一固定數(shù)值，將此數(shù)值作為該方向的最后滲透系數(shù)。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種層狀巖體橫觀各向同性損傷程度測試裝 置和方法，針對層狀巖體的發(fā)育特征，設(shè)置了專門的控制閥門，能夠控制水和氣體的滲透方 向，分別測試出垂直和水平方向的滲透系數(shù)，并且能夠在同一裝置上實(shí)現(xiàn)水和氣體的滲透 性測試;本發(fā)明通過合理的開關(guān)設(shè)計(jì)控制氣體或者液體的流動方向，得到垂直節(jié)理和平行 節(jié)理兩個方向的滲透系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了橫觀各向同性巖體滲透性的準(zhǔn)確測試，較傳統(tǒng)測試方法 能夠更加準(zhǔn)確地反映出橫觀各向同性巖體的滲透特征，同時(shí)該裝置技術(shù)門檻低，操作簡單， 工作流程清晰，便于工地使用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的測試裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖2是垂直節(jié)理方向的滲透系數(shù)測試示意圖。
[0017]圖3是水平節(jié)理方向的滲透系數(shù)測試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 實(shí)施例1，層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù)測試裝置，參照附圖1。
[0019] 本發(fā)明的層狀巖體橫觀各向同性滲透系數(shù)測試裝置包括包括用于存儲液體的壓 力容器1、用于存儲惰性氣體的氣罐2和用于放置層狀巖體試樣的密閉測試容器3,壓力容器 1內(nèi)存儲水，氣罐2內(nèi)裝有氮?dú)?，密閉測試容器3的一側(cè)設(shè)有進(jìn)口通道4，進(jìn)口通道4通過聯(lián)通 管道分別與壓力容器1和氣罐2連接，密閉測試容器3的另一側(cè)設(shè)有水平出口 5,密閉測試容 器的上下兩側(cè)設(shè)有垂直出口 6,兩個垂直出口 6和水平出口 5均通過聯(lián)通管道連接至回收容 器7,進(jìn)口通道4處設(shè)有用于控制密閉測試容器的總進(jìn)口啟閉的第二控制開關(guān)8,第二控制開 關(guān)8的上游設(shè)有第一壓力表9,兩個垂直出口6處各自設(shè)有用于控制該垂直出口啟閉的第一 控制開關(guān)10，水平出口 5處設(shè)有用于控制水平出口啟閉的第三控制開關(guān)11，回收容器7的入 口處設(shè)有用于控制回收容器入口啟閉的第四控制開關(guān)12,第四控制開關(guān)12的上游設(shè)有第二 壓力表13,壓力容器1的出口處設(shè)有用于控制壓力容器出口啟閉的第五控制開關(guān)14,壓力容