致密巖石具有低滲透性、力學(xué)行為復(fù)雜等特點(diǎn)，是地下放射性廢物處置庫、頁巖氣和石油工程、水利水電項(xiàng)目等重大工程經(jīng)常遇到的巖石。在實(shí)際工程建設(shè)中，巖石所經(jīng)歷的應(yīng)力過程復(fù)雜多變，因此有必要研究巖石在各種應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性和滲透率演化規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)致密巖石的力學(xué)行為已有大量研究，但對(duì)其在力學(xué)行為過程中的滲透率演化研究較少，這是由于用水作滲透介質(zhì)進(jìn)行致密巖石的滲透率測(cè)量時(shí)間太長(zhǎng)，并要考慮巖石復(fù)雜的水力耦合行為。例如，對(duì)泥巖這類適合做放射性廢物屏障處置的材料，用水作為滲透介質(zhì)會(huì)直接破壞泥巖的組成成分，影響其力學(xué)特性和滲透特性。

　　中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土工程多場(chǎng)耦合效應(yīng)組利用稀有氣體化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定、動(dòng)力粘滯系數(shù)比液體小2~3個(gè)數(shù)量級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，將稀有氣體（如氦氣）作為滲透介質(zhì)，研發(fā)出低滲巖土介質(zhì)滲透實(shí)驗(yàn)儀，并將其與武漢巖土所自主研制的巖石三軸多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組合，可同步進(jìn)行低滲巖石的力學(xué)變形測(cè)量和滲透率測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)儀的應(yīng)用領(lǐng)域包括致密油氣開發(fā)、高放廢物地質(zhì)處置、二氧化碳地下封存、核電站屏障材料耐久性，具有低滲透率高精度測(cè)試（精度可達(dá)10-22m2）、高效率（幾小時(shí)）、適合試驗(yàn)操作等優(yōu)點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)豐富了對(duì)低滲透巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和滲透率測(cè)量的試驗(yàn)手段，對(duì)推動(dòng)低滲透巖石力學(xué)理論發(fā)展和試驗(yàn)研究等方面有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　利用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)花崗巖進(jìn)行恒下限分級(jí)循環(huán)加卸載條件下的氣體滲透率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氣體滲透率變化分三個(gè)階段，即穩(wěn)定下降階段、緩慢增加階段、急劇上升階段，試樣脆性破壞后氣體滲透率均上升2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。研究發(fā)現(xiàn)，與氣體滲透率變化三個(gè)階段相對(duì)應(yīng)的分別是巖石內(nèi)部裂紋發(fā)展階段、孔隙和裂隙壓密階段、微裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、微裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段（宏觀裂隙生成與貫通）。

　　研究工作得到中科院“百人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。上述技術(shù)獲得國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專利授權(quán)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《巖土力學(xué)》上。

花崗巖破壞過程中氣體滲透率演化

低滲巖土介質(zhì)三軸壓縮滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)