CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究

第24卷 第23期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.232005年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringDec.2005–07–05国家自然科学基金资助项目(10172071)作者简介男现任教授主要从事岩土水力学水文地质与工程地质E-mail2丁卫华1ÉÂÎ÷ 西安7100483. 辽宁省水文水资源勘测局４．　中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室岩石渗流与应力关系研究是进行岩石渗流场与应力场耦合分析的关键对砂岩进行了渗流与应力关系试验通过试验结果分析在此基础上渗透速度渗透率等的变化规律岩石渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关岩石的孔隙率微孔隙直径当岩石的内部出现微裂纹后渗流速度从宏观应力–应变关系看岩石还处于弹性变形阶段渗透速度渗透率等达到最大值在渗透水压力作用下而同样干岩样中微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的55%以上　关键词细观尺度微孔隙直径CT 扫描中图分类号A文章编号２DING Wei-hua 1an University of Technologyan7100482.Shanghai Jiaotong UniversityChinaShenyang 1100034. State Key Laboratoryof Frozen Soil EngineeringChinese Academy of SciencesChina )Abstractseepage pressure loading apparatus and medicalSOMTOM PLUS CT s canner. By analyzing the e xperiment a l resultsthe porosit i espermeability and the micro -pore diameter s during the process es of stress and strain of a sandstone sample are calculated. Results show that the changes of the seepage parameters have closely relations to the process es of damag ing and cracking in the sandstone sample. At the first stage of compression testthe porosity permeability and the micro -porediameter s in a sandstone sample decrease• 4204 • 岩石力学与工程学报 2005年micro-fracturing initiation in the sample the specific dischargethe deformation of the sandstone sampleis in the elastic deformation stage before the macro-cracking occurrence. At the point of macro-failurethe specific dischargeit is discovered that the micro-fracture occurs at the elastic deformationstage of rock and the stress of micro-fracturing initiation occupies 45% of the peak strength of the sandstone sample under seepage pressurerock mechanicsseepageporosity¶ÔÆäÉø͸ÐÔÄܵÄÑо¿ºÜÔç¾Í¿ªÊ¼½øÐжÔÓÚµØÏÂË®ÔÚÉ°ÑÒÖеÄÉø͸¹æÂÉÒÔ¼°ÓëÓ¦Á¦ñîºÏ·½ÃæµÄÑо¿Ò²½øÐÐÁË´óÁ¿µÄ¹¤×÷Ò»´óÅú¹úÄÚÍâѧÕ߶ÔÑÒʯµÄÕýÓ¦Á¦ºÍÉø͸ÐÔÖ®¼äµÄ¹Øϵ½øÐÐÁËÑо¿文[11]研究了裂隙岩体渗流与应力的关系文[14]提出了岩石应力场与渗流场耦合的连续介质模型提出了有效应力与裂隙变形及岩体渗透率之间的耦合关系文[17]通过对单条裂隙和正交裂隙受正应力作用的渗流规律进行了试验研究文[18]通过对砂岩应力–应变全过程中渗透率变化规律的试验研究文[19ͨ¹ýÊÔÑéÑо¿¼ôÓ¦Á¦¼°¼ôÓ¦Á¦ÓëѹӦÁ¦ÁªºÏ×÷ÓÃʱµØÏÂË®µÄÉøÁ÷¼ÆËãʽ文[21]对围压升降过程中岩体的渗透率变化特性进行了试验研究但单裂隙花岗岩的渗透率对有效应力的敏感程度远大于砂岩砂岩和单裂隙花岗岩渗透率的恢复均存在明显的应力滞后效应在对比了几种确定方法后认为文[23]用核磁共振弛豫方法来测定砂岩有效渗透率讨论了耦合渗流方程参数的物理意义增加了一个反映渗透系数和孔隙变化率关系的耦合方程引入渗透率突跳系数ξ这一概念以上主要是从宏观角度研究渗流与应力的关系对此岩石在宏观破坏之前这一结论未考虑岩石内部细观损伤–破坏过程对砂岩进行渗流与应力试验从细观角度分析岩石渗流与应力的关系样品规格为直径50 mm第24卷 第23期 仵彦卿等.　CT 尺度砂岩渗流与应力关系试验研究 • 4205 •岩样主要仪器有SOMATOM PLUS 螺旋CT扫描机渗透压加载和控制系统接上实时加渗透压系统进行初次CT 扫描其他载荷条件不变再逐渐增加轴向压力选取岩样中部断面进行CT 扫描并测出7个应力状态下的流量3 试验结果分析3.1 试验结果数据为了能准确反映砂岩内部性质的变化ＣＴ影像结果见图1min·´Ó³ÁËÑÒʯºê¹ÛµÄ±äÐÎÓëÇ¿¶ÈÌصã(a)　0.58 MPa(干样) (b) 0.58 MPa(饱水)(c)　4.52 MPa(饱水) (d) 7.80 MPa(饱水)(e)　9.30 MPa(饱水) (f) 11.80 MPa(饱水)(g)　20.80 MPa(饱水) (h) 20.30 MPa(饱水)图1 砂岩样不同应力状态下CT 影像图(图中白色代表高密度物质并且在干样状态下砂岩的孔隙中全部充满空气根据CT数原理水的CT 数H w = 0则根据状态1和2可以得到•4206 • 岩石力学与工程学报 2005年图2 砂岩样应力–轴向变形关系图Fig.2 Stress-axial deformation curve of a sandstone sample(1–n0)H r+ n0H w = 1 792.7 (2)求解方程(式(1)和(2))n= 0.083假设岩石矿物颗粒本身是不可压密的则砂岩中矿物颗粒的CT数平均值是一定值其岩石固体颗粒的CT数H r =1 955Òò¶ø¿ÉÒÔ¸ù¾Ýʽ(2)求得各个状态的孔隙率结果见表2表2 基于CT数计算的砂岩在不同应力–应变状态下的孔隙率Table 2 Porosities of sandstone samples based on CTnumbers under different stress conditions扫描状态平均CT数CT数方差孔隙率/%1 1 710.2 83.93 8.272 1 792.7 79.88 8.273 1 797.0 77.06 8.114 1 801.0 76.87 7.865 1 802.0 76.25 7.826 1 792.0 77.61 8.317 1 783.0 78.81 8.638 1 778.0 86.87 9.05从表2和图3可看出状态1¿×϶ÂʺÍCT数方差随着应力的增加而减小孔隙率与CT数方差随着应力的增加而增大3.3渗流速度(断面平均流速)由于在试验过程中只能测出流量根据Darcy定律公式AQv/=可以算出流速１０则=A 1.96ÉøÁ÷ËÙ¶ÈÓëÓ¦Á¦¹ØϵÈçͼ4所示状态1ÉøÁ÷ËÙ¶ÈËæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶ø¼õСÉøÁ÷Á÷ËÙËæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶øÔö´ó3.4渗透速度(孔隙流速)假设砂岩中的渗流都是通过岩石中微小细管流动的则根据渗流定律可知in为不同应力应变状态下的孔隙率计算结果如表3所示50.0000.0010.0020.0030.0040.005轴向变形/m应力/MPa0 5 10152025轴向应力/MPa7.68.6孔隙率/%万方数据第24卷 第23期 仵彦卿等.　CT 尺度砂岩渗流与应力关系试验研究 • 4207 •表3砂岩在不同应力ｒｅａｌ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｉｎ　ｐｏｒｏｕｓ　ｒｏｃｋｍｉｎ５ｍ４ｍ７ｍ）　渗透率/(108m״̬1Éø͸ËÙ¶ÈËæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶ø¼õСÉø͸ËÙ¶ÈËæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶øÔö´óÔÚ20s/m2103 kg/m31 MPa 的渗透压为100 m 水头因而各个状态下微小细管的水力梯度J 根据渗透压和轴向位移量的变化而变化各个状态下的水力梯度值见表3ÓÉË®Á¦Ñ§¿ÉÖª½á¹ûÈç±í3所示状态1΢¿×϶ֱ¾¶Ëæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶ø¼õС΢¿×϶ֱ¾¶Ëæ×ÅÓ¦Á¦µÄÔö¼Ó¶øÔö´ó½«Ò»ÏµÁÐÉø͸ÐÔÖʲÎÊýÓëÏàÓ¦µÄ¸÷Ó¦Á¦Ìõ¼þ¶¼ÁÐÓÚ±í31234567890510152025轴向应力/MPa渗透速度/(10s5m1)万方数据• 4208 • 岩石力学与工程学报 2005年图6 微孔隙直径随轴向应力的变化曲线 Fig.6 Varition of micro-pore diameter with stress图7 渗透率随轴向应力的变化曲线 Fig.7 Variation of permeability with stress从表3和图7可看出渗透率随着应力的增加而减小渗透率随着应力的增加而增大对砂岩进行渗流与应力试验通过试验结果分析在此基础上渗透速度渗透率等的变化规律岩石的渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关岩石的孔隙率微孔隙直径当岩石的内部出现微裂纹后渗流速度从宏观应力–应变关系看岩石还处于弹性变形阶段渗透速度渗透率等达到最大值该砂岩在围压为 4MPa占岩石峰值强度的45%ÑÒʯÄÚ²¿¾ÍÓÐ΢ÁÑÎƳöÏÖûÓÐÉø͸ѹÌõ¼þÏÂÉ°ÑÒÖÐ΢ÁÑÎÆÆðÁÑʱµÄÓ¦Á¦Õ¼ÑÒʯ·åֵǿ¶ÈµÄ55%以上[25]½µµÍÁËÑÒʯµÄÇ¿¶Èµ±ÑÒÌåÖÐһЩ´óµÄÁÑ·ìÉøË®Á¿Í»È»Ï½µÊ±需进一步研究的问题如下(2) 在CT 尺度下进行应力–应变全过程中轴向应力与渗流关系试验研究(4)研究岩石损伤–破裂局部化与渗流的关系参考文献(References)1978249–257.[2] Walsh J B19793 532–3 536.[3] Witherspoon P AIwai K19801 016–1 024.[4] Walsh J B. 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Chinese Journal of AppliedMechanics22(3)CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究作者：仵彦卿， 曹广祝， 丁卫华， WU Yan-qing， CAO Guang-zhu， DING Wei-hua作者单位：仵彦卿,WU Yan-qing(西安理工大学,陕西,西安,710048;上海交通大学,上海,200240)， 曹广祝,CAO Guang-zhu(西安理工大学,陕西,西安,710048;辽宁省水文水资源勘测局,辽宁,沈阳,110003)， 丁卫华,DING Wei-hua(西安理工大学,陕西,西安,710048;中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃,兰州,730000)刊名：岩石力学与工程学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING年，卷(期)：2005,24(23)被引用次数：10次1.Gangi A F Variation of whole and fractured porous rock permeability with confining pressure 19782.Walsh J B;Grosenbaugh M A A new model for analysing the effect of fractures on compressibility 19793.Turgeon A;Wang J S Y;Iwai K Validity of cubic law for fluid flow in a deformable rock fracture 1980(06)4.Walsh J B Effect of pore pressure and confining pressure on fracture permeability 19815.Tsang Y W;Witherspoon P A Hydromechanical behaviour of a deformable rock fracture subject to normal stress 1986(10)6.Raven K G;Gale J E Water flow in a natural rock fracture as a function of stress and sample size 1985(04)7.Brown S R;Scholz C H Closure of random elastic surfaces in contact 19858.Brown S R Fluid flow through rock joints: the effect of surface roughness 19879.Pyrak Nolte L J;Cook N G W Fluid percolation through single fractures 1988(11)10.Cook N G W Natural joints in rock: mechanical,hydraulic and seismic behaviour and properties under normal stress 1992(03)11.Snow D T Fracture deformation and changes of permeability and storage upon changes of fluid pressure 1968(01)12.Louis C A study of groundwater flow in jointed rock and its influence on the stability of rock masses 196913.Nolte D D;Pyrak-Nolte L J Stratified continuum percolation: scaling geometry of hierarchical cascades 199114.Nootishad J;Ayatollahi M S;Witherspoon P A Finite element method for coupled stress and fluid flow analysis in fractured rock masses 198215.Oda M An equivalent continuum model for coupled stress and fluid flow analysis in jointed rock masses 1986(13)16.Barton N R;Bandis S C;Bakhtar K Strength,deformation and conductivity coupling of rock joints 1985(03)17.刘继山单裂隙受正应力作用时的渗流公式 1987(02)18.杨少丽;李玉寿;吴振业岩石全应力-应变过程对应的渗透率-应变方程[期刊论文]-岩土工程学报 1995(02)19.李树德裂隙岩体应力与渗流关系研究 1995(06)20.仵彦卿;张倬元岩体水力学导论 199521.蔡国军;杨立中围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2004(03)22.王尤富;凌建军低渗透砂岩储层岩石孔隙结构特征参数研究[期刊论文]-特种油气藏 1999(04)23.王立锦;周尚文;周达明核磁共振弛豫方法测定砂岩有效渗透率[期刊论文]-波谱学杂志 2003(01)24.高玮;唐春安;朱万成岩石破裂过程渗流与应力耦合分析岩[期刊论文]-岩土工程学报 2001(04)25.仵彦卿;曹广祝;王殿武基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析[期刊论文]-应用力学学报 2005(03)1.黄先伍.唐平.缪协兴.陈占清.HUANG Xian-wu.TANG Ping.MIAO Xie-xing.CHEN Zhan-qing破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究[期刊论文]-岩土力学2005,26(9)2.黄思静.侯中健.HUANG Si-jing.HOU Zhong-jian地下孔隙率和渗透率在空间和时间上的变化及影响因素[期刊论文]-沉积学报2001,19(2)3.范留明.毛黎明.张志禹.丁卫华.FAN Liuming.MAO Liming.ZHANG Zhiyu.DING Weihua岩土CT图像边界伪影的机制分析及试样尺度估计[期刊论文]-岩石力学与工程学报2006,25(6)4.李术才.李廷春.王刚.白世伟.LI Shucai.LI Tingchun.WANG Gang.BAI Shiwei单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验[期刊论文]-岩石力学与工程学报2007,26(3)5.崔中兴.仵彦卿.蒲毅彬.林峰.张飞跃.冯小太.CUI Zhong-xing.WU Yan-qing.PU Yi-bin.LIN Feng.ZHANG Fei-yue.FENG Xiao-tai渗流状态下砂岩的三维实时CT观测[期刊论文]-岩石力学与工程学报2005,24(8)6.任建喜三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测[期刊论文]-实验力学2001,16(4)7.范留明.毛黎明.丁卫华.FAN Liuming.MAO Liming.DING Weihua岩石CT密度损伤增量图像"阴阳环"现象的形成机制及其配准校正[期刊论文]-岩石力学与工程学报2007,26(3)8.崔玉红.周世才.陈蕴生.CUI Yu-hong.ZHOU Shi-cai.CHEN Yun-sheng非贯通细观裂纹节理介质CT试验的数值模拟及影响参数讨论[期刊论文]-岩石力学与工程学报2006,25(3)9.李顺才.LI Shun-cai不同孔隙率下破碎灰岩渗透特性试验研究[期刊论文]-徐州工程学院学报（自然科学版）2009,24(1)10.仵彦卿.WU Yan-qing岩石孔隙率随地层深度变化规律研究[期刊论文]-西安理工大学学报2000,16(1)1.梁昕宇.党发宁.田威单轴压缩条件下混凝土破裂过程的CT试验[期刊论文]-煤炭学报 2010(Z1)2.刘爱华.彭述权.李夕兵.陈红江深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2009(7)3.王建秀.胡力绳.叶冲.唐益群.杨坪复杂应力路径下大理岩三轴渗透试验研究[期刊论文]-岩土力学 2010(8)4.王旭宏.冯增朝.刘中华岩石密度分布规律研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2009(z2)5.胡大伟.周辉.潘鹏志.张凯.邵建富.冯夏庭砂岩三轴循环加卸载条件下的渗透率研究[期刊论文]-岩土力学 2010(9)6.刘中华.徐素国.胡耀青.冯增朝.梁卫国.赵阳升钙芒硝盐岩溶蚀试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2010(z2)7.乔丽苹.刘建.冯夏庭砂岩水物理化学损伤机制研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2007(10)8.胡大伟.朱其志.周辉.邵建富.冯夏庭脆性岩石各向异性损伤和渗透性演化规律研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2008(9)9.郭保华岩样尺度、孔道及端部摩擦效应的数值分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2009(z2)10.李根.唐春安.李连崇水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展[期刊论文]-力学进展 2012(5)本文链接：/Periodical_yslxygcxb200523001.aspx。