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一種裂隙網絡巖石剪切滲流耦合實驗方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410140674.1

申請日:

2014.04.09

公開號:

CN103954511A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||著錄事項變更IPC(主分類):G01N 3/24變更事項:發明人變更前:馬國偉 董茜茜 李之建 王惠棟變更后:王秋生 董茜茜 高經緯 王洪洋|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 3/24申請日:20140409|||公開
IPC分類號: G01N3/24; G01N3/06 主分類號: G01N3/24
申請人: 北京工業大學
發明人: 馬國偉; 董茜茜; 李之建; 王惠棟
地址: 100124 北京市朝陽區平樂園100號
優先權:
專利代理機構: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203 代理人: 張慧
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410140674.1

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2016.08.17|||2016.05.18|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||著錄事項變更|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種雕刻裂隙網絡巖石試件及其裂隙滲流耦合實驗裝置及其方法,屬于流體力學、巖石力學領域。本發明通過以下步驟實現:1、準備實驗需要的巖石試件及尺寸大小;2、根據現實的裂隙,運用全自動化刻機雕刻出裂隙網絡;3、采用具有電液伺服微機控制系統的數控直接剪切試驗機進行實驗;4、測裂隙網絡的壓力,根據公式推導得流速;5、測水或油在巖石裂縫變化發展狀況;6、應用數碼攝像設備記錄著色水在裂縫內的流動過程和狀態;7、結合實驗建立模型。該實驗方法改變了過去人工劈裂得到單一裂縫的模式來進行試件的剪切滲流實驗,它能反應巖石內部裂隙的真實狀況。該實驗材料造價低,方便自己動手雕刻。雕刻速度快,測定裝置占地小,操作簡單。

權利要求書

權利要求書
1.  一種裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法,其特征在于:包括以下步驟:
(1)選取兩塊大小相同且長、寬為10-80cm,厚為0.8-2cm的矩形形狀的青石板作為試件;
(2)把所述兩塊青石板試件放在雕刻機上,由計算機隨機生成裂縫,并控制雕刻機在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的裂隙網絡;
(3)在所述青石板試件的兩側分別加裝玻璃固定,并在青石板試件與玻璃間涂上膠;
(4)采用具有電液伺服微機控制系統的數控直接剪切試驗機進行實驗:把所述實驗樣本放在實驗儀器上進行實驗,具體為:一次實驗把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網絡相同的青石板構成的實驗樣本疊加在一起并立于加載器上,水平方向的加載板貼近實驗樣本,固定好實驗樣本,開啟壓力伺服系統的出口、進口及圍壓進口,以提供壓力,其中,進口與實驗樣本上表面的裂縫相連,出口與實驗樣本下表面的裂縫相連,圍壓進口與實驗樣本的四周相連,以提供圍壓壓力;
(5)對含有裂隙網絡的青石板實驗樣本豎向施加的力為p,當p分別為1Mpa、2Mpa、3Mpa時,在儀器的進口注入液體貫通整個裂隙網絡測量裂隙網絡流速;
(6)分別選取摻有顏料的水、油,或油水混合物通過剪切試驗機的壓力伺服系統的進口注入實驗樣本的裂隙網絡中,采用安裝于剪切試驗機周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內的流動過程和狀態,觀察比較青石板試件中裂紋的擴展、貫通直至整個結構破裂的過程,并實時測量記錄所述壓力傳感器的壓力值;
(7)結合實驗建立模型,將測量結果輸入進行仿真再現,通過建立模型驗證裂隙網絡中的裂縫變形及穩定分析。

2.  根據權利要求1所述的實驗方法,其特征在于:所述步驟(2)中構成裂隙網絡的裂縫寬度為0.5-3mm。

3.  根據權利要求1所述的實驗方法,其特征在于:所述步驟(5)中測量裂隙網絡流速的方法為:通過測量裂縫處的壓力值,由達西定律公式求算。

4.  根據權利要求3所述的實驗方法,其特征在于:其中測量測量裂縫處的壓力值的方法為:在裂縫的X字型或Y字型裂縫處的側面鉆出連接到裂縫處的微型口,其直徑是0.6-1cm,在微型孔插入橡膠管,橡膠管與裂縫的接觸處用防水膠密封,橡膠管的末端與一個半圓形槽連接,在半個圓形槽里放入壓力傳感器,測量壓力值。

說明書

說明書一種裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法
技術領域
本發明涉及一種裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法,屬于流體力學、巖石力學領域。
背景技術
眾所周知,巖石基礎內部一般會含有眾多的節理、裂隙等不連續構造,其裂隙巖體內部富含各種缺陷,包括微裂紋、孔隙以及節理裂隙等宏觀非連續面,在復雜的地應力和地下水環境作用下,受到應力以及水的物理和化學的復雜作用,這些缺陷對巖體的力學行為和穩定性造成很大的影響。由于大量復雜裂隙分布于天然巖體中,致使巖體的力學性質及其滲透性都具有非均勻性和各向異性,不僅大大地改變了巖體的力學性質,也嚴重影響著巖體的滲透特性。
對于我國目前而言,大量規模宏大的巖土工程正在興建或即將興建,也必將出現大量與滲流耦合作用有關的問題。在礦山開采、水利水電、隧道、邊坡加固等巖土工程中,節理裂隙對巖體工程的穩定性有著重要影響,一方面巖體裂隙是導致地下工程水害的重要原因之一,另一方面裂隙的存在也大大降低了巖體強度。多年來國內外學者對巖體滲流問題進行了廣泛的理論研究,裂隙面的幾何形狀決定于巖體的地質歷史,一般能用幾何參數來描述,如開度、頻率分布、凸起空間分布關系和接觸面積,這些參數以其各自的方式影響著節理裂隙的幾何形狀及裂隙內水的流動。例如著名的Tekon大壩的潰壩事件,就是典型的巖體滲流破壞問題,自從該事件發生,人們對于裂隙巖體的滲流問題日益重視。在1973年第三屆國際斷裂力學會議上,首次把隙巖體的滲流列為專題研究。巖石斷裂力學將巖體的斷續節理、裂隙模擬為裂紋,把巖體不再看作是完整的均質體,而看成是包含眾多裂紋的復合結構體。Poston利用Griffith能量準則首次分析了類似于巖體的脆性材料壓剪斷裂過程中裂紋擴展方向與原生裂紋走向的關系。Douma等利用流固耦合理論討論了水力壓裂的起裂、擴展和閉合全過程的流固耦合現象,指出流固耦合在水力壓裂中應用的重要性。
據統計,90%以上的巖體邊坡破壞和地下水滲透力有關,60%的礦井事故與地下水作用有關,30%-40%的水電工程大壩失事是由滲流作用引起的。因此研究裂隙滲流的運動規律與破壞是必要的。國內外主要集中在單裂隙的滲流特性研究,關于多裂隙或復雜裂隙的實驗研究比較少,我國張玉卓研究了具有4條不同角度裂隙的試樣,在不同應力狀態下,裂隙的滲流特性。劉亞晨等通過單、正交裂隙研究了高溫、高壓下的裂隙巖體滲透特性,而對于裂隙網絡的研究或實驗更是進展緩慢。
發明內容
目前獲取巖石試件裂縫,大多采用人工劈裂或多塊碎裂巖塊組合形成完整巖石的方式, 這種方式適用于單一裂縫,對形成的復雜裂縫不足以反映巖石內部裂隙的真實狀況,因此本發明針對以上方法的缺陷,采用雕刻機在機床上雕刻青石板形成含有復雜裂隙網絡的裂縫,并運用數控直接剪切試驗機進行實驗,建立裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合模型模擬巖石內部裂隙的真實狀況,進而研究巖體裂隙滲流的運動規律。
本發明涉及的裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法,包括以下步驟:
(1)選取試件材料與尺寸。選取兩塊大小相同且長、寬為10-80cm,厚為0.8-2cm的矩形形狀的青石板作為試件。
(2)雕刻平面裂隙網絡。把所述兩塊青石板試件放在雕刻機上,由計算機隨機生成裂縫,并控制雕刻機在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的,,構成裂隙網絡的裂縫寬度為0.5-3mm。
(3)制作實驗樣本。在所述青石板試件的兩側分別加裝玻璃固定,并在青石板試件與玻璃間涂上膠。這樣做的目的是為了一方面是防止注水的時候,水會滲出來;另一方面是防止切割的巖土破碎,能夠起加固的作用。
(4)采用具有電液伺服微機控制系統的數控直接剪切試驗機進行實驗。把所述實驗樣本放在實驗儀器上進行實驗,具體為:一次實驗把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網絡相同的青石板構成的實驗樣本疊加在一起并立于加載器上,水平方向的加載板貼近實驗樣本,固定好實驗樣本。開啟壓力伺服系統的出口、進口及圍壓進口,以提供壓力,其中,進口與實驗樣本上表面的裂縫相連,出口與實驗樣本下表面的裂縫相連,圍壓進口與實驗樣本的四周相連,以提供圍壓壓力。再將油壓伺服系統的出油口與圍壓進口相連。
(5)測裂隙網絡的壓力,根據公式推導得出流速。對含有裂隙網絡的青石板實驗樣本豎向施加的力為p,當p分別為1Mpa、2Mpa、3Mpa時,在儀器的進口注入液體貫通整個裂隙網絡測量裂隙網絡流速。由于裂隙網絡的復雜性,每條裂隙的流速是不相同的,一般的微型傳感器也不能直接進行測量。因此,選取裂縫的關鍵處,如青石板試件的X字型、Y字型裂縫處的側面鉆出連接到裂縫處的微型口,其直徑是0.6-1cm,在微型孔插入橡膠管,橡膠管與裂縫的接觸處用防水膠密封,橡膠管的末端與一個半圓形槽連接,在半個圓形槽里放入壓力傳感器,測量壓力值,根據下列公式可求得流速v,其中:v為水的流速;k為滲透系數;i為水力梯度;△p為壓力增量;g為重力;ρ為密度。
v=ki=kΔpρg]]>
(6)監測實驗樣本在液體壓力作用下裂縫變化發展狀況。分別選取摻有顏料的水、油,或油水混合物通過剪切試驗機的壓力伺服系統的進口注入實驗樣本的裂隙網絡中,采用安裝于剪切試驗機周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內的流動過程和狀態,觀察比較青石板試件 中裂紋的擴展、貫通直至整個結構破裂的過程,該過程采用并實時測量記錄所述壓力傳感器的壓力值。
(7)結合實驗建立模型。將測量結果輸入進行仿真再現,通過建立模型驗證裂隙網絡中的裂縫變形及穩定分析。
該實驗方法具有以下優點:
(1)本發明采用巖石為青石板來刻裂縫,而非采用相似材料來模擬實際的巖石裂隙,改變了傳統裂隙采用人工劈裂的模式來進行試件的剪切滲流實驗。
(2)數控剪切試驗機用數控系統代替彈簧模擬節理周圍圍巖的變形剛度特性,克服了以往剪切試驗機缺點,能適應圍壓影響下節理變形特點。
(3)采用自動化機床雕刻方式,并把裂縫寬度控制在最小0.5mm,能再現實際裂縫的寬度,更加真實立體。拋棄了過去最小6mm的切割模式。
(4)借助數字攝像設備,應用圖像相關分析的數字照相變形量測技術來適時計算剪切滲流耦合試驗中裂隙力學開度的變化過程,以便更形象和詳實地研究力學開度和水力學開度間的關系,及應力滲流耦合性質。
(5)實驗獲得的水壓信息和流速可進行全自動實時采集,并整理保存。通過實驗,分析總結得出它的流速普遍規律性,推導出滲透水壓力作用的裂隙巖體本構關系方程。
(6)本發明實驗材料造價低,方便自己動手雕刻。雕刻速度快,測定裝置占地小,操作簡單。
附圖說明
圖1是含有裂隙網絡青石板示意圖。
圖2是玻璃板固定青石板的示意圖。
圖3測交叉裂隙處方法示意圖:A為壓力傳感器B為裂隙水流向。
圖4巖石數控剪切試驗機示意圖。
圖5是裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法的流程圖。
其中:1、加載端  2、固定端  3、流量計  4、滲透水收集測量裝置  5、計算機  6、豎向加載控制器  7、橫向加載控制器  8、9、伺服電機  10、豎向伺服加載系統  11、橫向伺服加載系統
具體實施方式
裂隙網絡巖石剪切-滲流耦合實驗方法,包括以下步驟:
(1)選取試件材料與尺寸。選取兩塊大小相同且長、寬為10-80cm,厚為0.8-2cm的矩形形狀的青石板作為試件。
(2)雕刻平面裂隙網絡。把所述兩塊青石板試件放在雕刻機上,由計算機隨機生成裂縫,并控制雕刻機在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的,構成裂隙網絡的裂縫寬度為0.5-3mm。
(3)制作實驗樣本。在所述青石板試件的兩側分別加裝玻璃固定,并在青石板試件與玻璃間涂上膠。這樣做的目的是為了一方面是防止注水的時候,水會滲出來;另一方面是防止切割的巖土破碎,能夠起加固的作用。
(4)采用具有電液伺服微機控制系統的數控直接剪切試驗機進行實驗。把所述實驗樣本放在實驗儀器上進行實驗,具體為:一次實驗把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網絡相同的青石板構成的實驗樣本疊加在一起并立于加載器上,水平方向的加載板貼近實驗樣本,固定好實驗樣本。開啟壓力伺服系統的出口、進口及圍壓進口,以提供壓力,其中,進口與實驗樣本上表面的裂縫相連,出口與實驗樣本下表面的裂縫相連,圍壓進口與實驗樣本的四周相連,以提供圍壓壓力。再將油壓伺服系統的出油口與圍壓進口相連。
(5)測裂隙網絡的壓力,根據公式推導得出流速。對含有裂隙網絡的青石板實驗樣本豎向施加的力為p,當p分別為1Mpa、2Mpa、3Mpa時,在儀器的進口注入液體貫通整個裂隙網絡測量裂隙網絡流速。由于裂隙網絡的復雜性,每條裂隙的流速是不相同的,一般的微型傳感器也不能直接進行測量。因此,選取裂縫的關鍵處,如青石板試件的X字型、Y字型裂縫處的側面鉆出連接到裂縫處的微型口,其直徑是0.6-1cm,在微型孔插入橡膠管,橡膠管與裂縫的接觸處用防水膠密封,橡膠管的末端與一個半圓形槽連接,在半個圓形槽里放入壓力傳感器,測量壓力值,根據達西定律公式可求得流速v。
(6)監測實驗樣本在液體壓力作用下裂縫變化發展狀況。分別選取摻有顏料的水、油,或油水混合物通過剪切試驗機的壓力伺服系統的進口注入實驗樣本的裂隙網絡中,采用安裝于剪切試驗機周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內的流動過程和狀態,觀察比較青石板試件中裂紋的擴展、貫通直至整個結構破裂的過程,并實時測量記錄所述壓力傳感器的壓力值。
(7)結合實驗建立模型。將測量結果輸入進行仿真再現,通過建立模型驗證裂隙網絡中的裂縫變形及穩定分析。

關 鍵 詞:
一種 裂隙 網絡 巖石 剪切 滲流 耦合 實驗 方法
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