一種裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法
【專利摘要】一種雕刻裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石試件及其裂隙滲流耦合實(shí)驗(yàn)裝置及其方法，屬于流體力學(xué)、巖石力學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：1、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)需要的巖石試件及尺寸大?。?、根據(jù)現(xiàn)實(shí)的裂隙，運(yùn)用全自動(dòng)化刻機(jī)雕刻出裂隙網(wǎng)絡(luò)；3、采用具有電液伺服微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控直接剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；4、測(cè)裂隙網(wǎng)絡(luò)的壓力，根據(jù)公式推導(dǎo)得流速；5、測(cè)水或油在巖石裂縫變化發(fā)展?fàn)顩r；6、應(yīng)用數(shù)碼攝像設(shè)備記錄著色水在裂縫內(nèi)的流動(dòng)過程和狀態(tài)；7、結(jié)合實(shí)驗(yàn)建立模型。該實(shí)驗(yàn)方法改變了過去人工劈裂得到單一裂縫的模式來進(jìn)行試件的剪切滲流實(shí)驗(yàn)，它能反應(yīng)巖石內(nèi)部裂隙的真實(shí)狀況。該實(shí)驗(yàn)材料造價(jià)低，方便自己動(dòng)手雕刻。雕刻速度快，測(cè)定裝置占地小，操作簡(jiǎn)單。
【專利說明】一種裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法，屬于流體力學(xué)、巖石力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，巖石基礎(chǔ)內(nèi)部一般會(huì)含有眾多的節(jié)理、裂隙等不連續(xù)構(gòu)造，其裂隙巖體內(nèi)部富含各種缺陷，包括微裂紋、孔隙以及節(jié)理裂隙等宏觀非連續(xù)面，在復(fù)雜的地應(yīng)力和地下水環(huán)境作用下，受到應(yīng)力以及水的物理和化學(xué)的復(fù)雜作用，這些缺陷對(duì)巖體的力學(xué)行為和穩(wěn)定性造成很大的影響。由于大量復(fù)雜裂隙分布于天然巖體中，致使巖體的力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)，也嚴(yán)重影響著巖體的滲透特性。
[0003]對(duì)于我國目前而言，大量規(guī)模宏大的巖土工程正在興建或即將興建，也必將出現(xiàn)大量與滲流耦合作用有關(guān)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(jié)理裂隙對(duì)巖體工程的穩(wěn)定性有著重要影響，一方面巖體裂隙是導(dǎo)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(qiáng)度。多年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖體滲流問題進(jìn)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(zhì)歷史，一般能用幾何參數(shù)來描述，如開度、頻率分布、凸起空間分布關(guān)系和接觸面積，這些參數(shù)以其各自的方式影響著節(jié)理裂隙的幾何形狀及裂隙內(nèi)水的流動(dòng)。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(fā)生，人們對(duì)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(xué)會(huì)議上，首次把隙巖體的滲流列為專題研究。巖石斷裂力學(xué)將巖體的斷續(xù)節(jié)理、裂隙模擬為裂紋，把巖體不再看作是完整的均質(zhì)體，而看成是包含眾多裂紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。Poston利用Griffith能量準(zhǔn)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(kuò)展方向與原生裂紋走向的關(guān)系。Douma等利用流固耦合理論討論了水力壓裂的起裂、擴(kuò)展和閉合全過程的流固耦合現(xiàn)象，指出流固耦合在水力壓裂中應(yīng)用的重要性。
[0004]據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的巖體邊坡破壞和地下水滲透力有關(guān)，60%的礦井事故與地下水作用有關(guān)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律與破壞是必要的。國內(nèi)外主要集中在單裂隙的滲流特性研究，關(guān)于多裂隙或復(fù)雜裂隙的實(shí)驗(yàn)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(yīng)力狀態(tài)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(duì)于裂隙網(wǎng)絡(luò)的研究或?qū)嶒?yàn)更是進(jìn)展緩慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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(duì)形成的復(fù)雜裂縫不足以反映巖石內(nèi)部裂隙的真實(shí)狀況，因此本發(fā)明針對(duì)以上方法的缺陷，采用雕刻機(jī)在機(jī)床上雕刻青石板形成含有復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的裂縫，并運(yùn)用數(shù)控直接剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合模型模擬巖石內(nèi)部裂隙的真實(shí)狀況，進(jìn)而研究巖體裂隙滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
[0006]本發(fā)明涉及的裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0007](I)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。
[0008](2)雕刻平面裂隙網(wǎng)絡(luò)。把所述兩塊青石板試件放在雕刻機(jī)上，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成裂縫，并控制雕刻機(jī)在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的，，構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)的裂縫寬度為0.5-3mm。
[0009](3)制作實(shí)驗(yàn)樣本。在所述青石板試件的兩側(cè)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(shí)候，水會(huì)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。
[0010](4)采用具有電液伺服微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控直接剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。把所述實(shí)驗(yàn)樣本放在實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體為:一次實(shí)驗(yàn)把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網(wǎng)絡(luò)相同的青石板構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣本，固定好實(shí)驗(yàn)樣本。開啟壓力伺服系統(tǒng)的出口、進(jìn)口及圍壓進(jìn)口，以提供壓力，其中，進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本上表面的裂縫相連，出口與實(shí)驗(yàn)樣本下表面的裂縫相連，圍壓進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本的四周相連，以提供圍壓壓力。再將油壓伺服系統(tǒng)的出油口與圍壓進(jìn)口相連。
[0011](5)測(cè)裂隙網(wǎng)絡(luò)的壓力，根據(jù)公式推導(dǎo)得出流速。對(duì)含有裂隙網(wǎng)絡(luò)的青石板實(shí)驗(yàn)樣本豎向施加的力為P，當(dāng)P分別為IMpa、2Mpa、3Mpa時(shí)，在儀器的進(jìn)口注入液體貫通整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)測(cè)量裂隙網(wǎng)絡(luò)流速。由于裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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(jìn) 行測(cè)量。因此，選取裂縫的關(guān)鍵處，如青石板試件的X字型、Y字型裂縫處的側(cè)面鉆出連接到裂縫處的微型口，其直徑是0.6-lcm,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(gè)半圓形槽連接，在半個(gè)圓形槽里放入壓力傳感器，測(cè)量壓力值，根據(jù)下列公式可求得流速V，其中:V為水的流速；k為滲透系數(shù)；i為水力梯度；Λ P為壓力增量；g為重力；P為密度。
,.,Ap
[0012]V = ki = K-
Pg
[0013](6)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣本在液體壓力作用下裂縫變化發(fā)展?fàn)顩r。分別選取摻有顏料的水、油，或油水混合物通過剪切試驗(yàn)機(jī)的壓力伺服系統(tǒng)的進(jìn)口注入實(shí)驗(yàn)樣本的裂隙網(wǎng)絡(luò)中，采用安裝于剪切試驗(yàn)機(jī)周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內(nèi)的流動(dòng)過程和狀態(tài)，觀察比較青石板試件中裂紋的擴(kuò)展、貫通直至整個(gè)結(jié)構(gòu)破裂的過程，該過程采用并實(shí)時(shí)測(cè)量記錄所述壓力傳感器的壓力值。
[0014](7)結(jié)合實(shí)驗(yàn)建立模型。將測(cè)量結(jié)果輸入進(jìn)行仿真再現(xiàn)，通過建立模型驗(yàn)證裂隙網(wǎng)絡(luò)中的裂縫變形及穩(wěn)定分析。
[0015]該實(shí)驗(yàn)方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016](I)本發(fā)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(shí)際的巖石裂隙，改變了傳統(tǒng)裂隙采用人工劈裂的模式來進(jìn)行試件的剪切滲流實(shí)驗(yàn)。
[0017](2)數(shù)控剪切試驗(yàn)機(jī)用數(shù)控系統(tǒng)代替彈簧模擬節(jié)理周圍圍巖的變形剛度特性，克服了以往剪切試驗(yàn)機(jī)缺點(diǎn)，能適應(yīng)圍壓影響下節(jié)理變形特點(diǎn)。
[0018](3)采用自動(dòng)化機(jī)床雕刻方式，并把裂縫寬度控制在最小0.5mm,能再現(xiàn)實(shí)際裂縫的寬度，更加真實(shí)立體。拋棄了過去最小6mm的切割模式。
[0019](4)借助數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備，應(yīng)用圖像相關(guān)分析的數(shù)字照相變形量測(cè)技術(shù)來適時(shí)計(jì)算剪切滲流耦合試驗(yàn)中裂隙力學(xué)開度的變化過程，以便更形象和詳實(shí)地研究力學(xué)開度和水力學(xué)開度間的關(guān)系，及應(yīng)力滲流耦合性質(zhì)。
[0020](5)實(shí)驗(yàn)獲得的水壓信息和流速可進(jìn)行全自動(dòng)實(shí)時(shí)采集，并整理保存。通過實(shí)驗(yàn)，分析總結(jié)得出它的流速普遍規(guī)律性，推導(dǎo)出滲透水壓力作用的裂隙巖體本構(gòu)關(guān)系方程。
[0021 ] ( 6 )本發(fā)明實(shí)驗(yàn)材料造價(jià)低，方便自己動(dòng)手雕刻。雕刻速度快，測(cè)定裝置占地小，操作簡(jiǎn)單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是含有裂隙網(wǎng)絡(luò)青石板示意圖。
[0023]圖2是玻璃板固定青石板的示意圖。
[0024]圖3測(cè)交叉裂隙處方法示意圖:A為壓力傳感器B為裂隙水流向。
[0025]圖4巖石數(shù)控剪切試驗(yàn)機(jī)示意圖。
[0026]圖5是裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法的流程圖。
[0027]其中:1、加載端2、固定端3、流量計(jì)4、滲透水收集測(cè)量裝置5、計(jì)算機(jī)6、豎向加載控制器7、橫向加載控制器8、9、伺服電機(jī)10、豎向伺服加載系統(tǒng)11、橫向伺服加載系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0028]裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0029](I)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。
[0030](2)雕刻平面裂隙網(wǎng)絡(luò)。把所述兩塊青石板試件放在雕刻機(jī)上，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成裂縫，并控制雕刻機(jī)在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的，構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)的裂縫寬度為
0.5-3mm。
[0031](3)制作實(shí)驗(yàn)樣本。在所述青石板試件的兩側(cè)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(shí)候，水會(huì)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。
[0032](4)采用具有電液伺服微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控直接剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。把所述實(shí)驗(yàn)樣本放在實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體為:一次實(shí)驗(yàn)把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網(wǎng)絡(luò)相同的青石板構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣本，固定好實(shí)驗(yàn)樣本。開啟壓力伺服系統(tǒng)的出口、進(jìn)口及圍壓進(jìn)口，以提供壓力，其中，進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本上表面的裂縫相連，出口與實(shí)驗(yàn)樣本下表面的裂縫相連，圍壓進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本的四周相連，以提供圍壓壓力。再將油壓伺服系統(tǒng)的出油口與圍壓進(jìn)口相連。
[0033](5)測(cè)裂隙網(wǎng)絡(luò)的壓力，根據(jù)公式推導(dǎo)得出流速。對(duì)含有裂隙網(wǎng)絡(luò)的青石板實(shí)驗(yàn)樣本豎向施加的力為P，當(dāng)P分別為IMpa、2Mpa、3Mpa時(shí)，在儀器的進(jìn)口注入液體貫通整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)測(cè)量裂隙網(wǎng)絡(luò)流速。由于裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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(jìn)行測(cè)量。因此，選取裂縫的關(guān)鍵處，如青石板試件的X字型、Y字型裂縫處的側(cè)面鉆出連接到裂縫處的微型口，其直徑是0.6-lcm,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(gè)半圓形槽連接，在半個(gè)圓形槽里放入壓力傳感器，測(cè)量壓力值，根據(jù)達(dá)西定律公式可求得流速V。
[0034](6)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣本在液體壓力作用下裂縫變化發(fā)展?fàn)顩r。分別選取摻有顏料的水、油，或油水混合物通過剪切試驗(yàn)機(jī)的壓力伺服系統(tǒng)的進(jìn)口注入實(shí)驗(yàn)樣本的裂隙網(wǎng)絡(luò)中，采用安裝于剪切試驗(yàn)機(jī)周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內(nèi)的流動(dòng)過程和狀態(tài)，觀察比較青石板試件中裂紋的擴(kuò)展、貫通直至整個(gè)結(jié)構(gòu)破裂的過程，并實(shí)時(shí)測(cè)量記錄所述壓力傳感器的壓力值。
[0035](7)結(jié)合實(shí)驗(yàn)建立模型。將測(cè)量結(jié)果輸入進(jìn)行仿真再現(xiàn)，通過建立模型驗(yàn)證裂隙網(wǎng)絡(luò)中的裂縫變形及穩(wěn)定分析。
【權(quán)利要求】
1.一種裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石剪切-滲流耦合實(shí)驗(yàn)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(jī)上，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成裂縫，并控制雕刻機(jī)在所述兩塊青石板試件上雕刻相同的裂隙網(wǎng)絡(luò)； (3)在所述青石板試件的兩側(cè)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(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)控直接剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn):把所述實(shí)驗(yàn)樣本放在實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體為:一次實(shí)驗(yàn)把兩塊尺寸大小完全相同、且裂隙網(wǎng)絡(luò)相同的青石板構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣本，固定好實(shí)驗(yàn)樣本，開啟壓力伺服系統(tǒng)的出口、進(jìn)口及圍壓進(jìn)口，以提供壓力，其中，進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本上表面的裂縫相連，出口與實(shí)驗(yàn)樣本下表面的裂縫相連，圍壓進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)樣本的四周相連，以提供圍壓壓力； (5)對(duì)含有裂隙網(wǎng)絡(luò)的青石板實(shí)驗(yàn)樣本豎向施加的力為P，當(dāng)P分別為IMpa、2Mpa、3Mpa時(shí)，在儀器的進(jìn)口注入液體貫通整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)測(cè)量裂隙網(wǎng)絡(luò)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(yàn)機(jī)的壓力伺服系統(tǒng)的進(jìn)口注入實(shí)驗(yàn)樣本的裂隙網(wǎng)絡(luò)中，采用安裝于剪切試驗(yàn)機(jī)周圍的微型攝像頭記錄液體在裂縫內(nèi)的流動(dòng)過程和狀態(tài)，觀察比較青石板試件中裂紋的擴(kuò)展、貫通直至整個(gè)結(jié)構(gòu)破裂的過程，并實(shí)時(shí)測(cè)量記錄所述壓力傳感器的壓力值； (7)結(jié)合實(shí)驗(yàn)建立模型，將測(cè)量結(jié)果輸入進(jìn)行仿真再現(xiàn)，通過建立模型驗(yàn)證裂隙網(wǎng)絡(luò)中的裂縫變形及穩(wěn)定分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟(2)中構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)的裂縫寬度為0.5_3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟(5)中測(cè)量裂隙網(wǎng)絡(luò)流速的方法為:通過測(cè)量裂縫處的壓力值，由達(dá)西定律公式求算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:其中測(cè)量測(cè)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(cè)面鉆出連接到裂縫處的微型口，其直徑是.0.6-lcm，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(gè)半圓形槽連接，在半個(gè)圓形槽里放入壓力傳感器，測(cè)量壓力值。
【文檔編號(hào)】G01N3/06GK103954511SQ201410140674
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】馬國偉, 董茜茜, 李之建, 王惠棟 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)