本發(fā)明涉及隧道工程領(lǐng)域領(lǐng)域，尤其涉及一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、圍巖噴水是地下工程中一種常見的支護(hù)方式，通過向圍巖噴射水霧，可以降低圍巖的溫度，減小巖石的干燥應(yīng)力，提高圍巖的穩(wěn)定性。然而，噴水過程中，由于水的作用，巖石的裂紋特性會發(fā)生一定的變化，從而影響圍巖的脆性指數(shù)。因此，研究圍巖噴水對裂紋特征脆性指數(shù)的影響具有重要的工程意義。

3、脆性指數(shù)是衡量巖石脆性特征的重要參數(shù)，它與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、裂紋特征等因素密切相關(guān)。在地下工程中，脆性指數(shù)的大小直接關(guān)系到巖石的穩(wěn)定性和支護(hù)難度。通常情況下，脆性指數(shù)越大，巖石的脆性特征越明顯，越容易發(fā)生脆性破壞。因此，準(zhǔn)確地獲取巖石的脆性指數(shù)對于工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

4、然而，目前關(guān)于圍巖噴水對裂紋特征脆性指數(shù)的影響研究還相對較少，已有研究主要集中在噴水對巖石強(qiáng)度和噴水對裂紋擴(kuò)展的影響等方面。這些研究雖然取得了一定的成果，但仍然無法全面揭示圍巖噴水對裂紋特征脆性指數(shù)的影響機(jī)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定方法及系統(tǒng)，本發(fā)明通過模擬地下工程中的噴水條件，對噴水前后的巖石裂紋特征進(jìn)行觀測和分析，從而確定噴水對脆性指數(shù)的影響程度。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定方法。

4、一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定方法，包括：

5、選取砂巖試件進(jìn)行單面吸水，確定吸水率；

6、確定砂巖試件的最大主應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，進(jìn)行真三軸加載試驗(yàn)；

7、根據(jù)真三軸加載試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到裂紋起裂應(yīng)力、裂紋損傷應(yīng)力和峰值應(yīng)力；

8、根據(jù)裂紋起裂應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，計(jì)算第一無因次參數(shù)；根據(jù)裂紋損傷應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，計(jì)算第二無因次參數(shù)；

9、根據(jù)第一無因次參數(shù)和第二無因次參數(shù)，計(jì)算峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)；

10、對失效砂巖試件進(jìn)行切割，制備試驗(yàn)后斷裂面的薄片，獲取薄片的裂紋相關(guān)參數(shù)；

11、根據(jù)裂紋相關(guān)參數(shù)，計(jì)算裂紋數(shù)密度和裂紋密度；

12、對裂紋數(shù)密度和裂紋密度進(jìn)行量化，獲得峰值應(yīng)力后脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

13、采用x射線衍射對砂巖試件的礦物成分進(jìn)行分析，得到石英在砂巖的占比，并根據(jù)所述占比，得到礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

14、根據(jù)峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)、峰值應(yīng)力后脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)與礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)的乘積，計(jì)算基于裂紋特征的脆性指數(shù)。

15、進(jìn)一步地，所述選取砂巖試件進(jìn)行單面吸水，確定吸水率的過程包括：

16、選取砂巖試件，對砂巖試件進(jìn)行稱重，得到砂巖試件干燥后的重量；

17、對砂巖試件進(jìn)行不同時(shí)間范圍的單面吸水；

18、吸水后取出，擦干后再進(jìn)行稱重，得到砂巖試件吸水后的重量；

19、計(jì)算砂巖試件吸水后的重量與砂巖試件干燥后的重量之間的差值，根據(jù)所述差值與砂巖試件干燥后的重量的比值，計(jì)算吸水率。

20、進(jìn)一步地，所述進(jìn)行真三軸加載試驗(yàn)的過程包括：

21、加載主應(yīng)力、水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力水平；

22、加載到預(yù)設(shè)應(yīng)力水平后，保持不變一段時(shí)間；

23、將為最大主應(yīng)力以每秒第一壓力間隔卸載至0mpa，保持不變一段時(shí)間；

24、將垂直應(yīng)力以每秒第二壓力間隔加載至試件完全失效，在整個(gè)過程中利用聲發(fā)射傳感器和高速攝影儀進(jìn)行全程記錄。

25、進(jìn)一步地，所述裂紋起裂應(yīng)力和裂紋損傷應(yīng)力為不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的差值。

26、進(jìn)一步地，所述峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)采用以下公式計(jì)算：

27、

28、其中，bj表示峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)，rci表示第一無因次參數(shù)，rcd表示第二無因次參數(shù)。

29、進(jìn)一步地，所述對失效砂巖試件進(jìn)行切割，制備試驗(yàn)后斷裂面的薄片的過程包括：使用環(huán)氧樹脂固定失效砂巖試件，切割垂直于主斷層界面的拋光薄片，對于無宏觀剪切帶的砂巖試件，在中心平行于軸向應(yīng)力處制備薄片。

30、進(jìn)一步地，所述根據(jù)裂紋相關(guān)參數(shù)，計(jì)算裂紋數(shù)密度和裂紋密度，采用以下公式計(jì)算：

31、裂紋數(shù)密度為：

32、

33、裂紋在相同大小的情況下具有任意凸形，裂紋密度為：

34、

35、若裂紋為橢圓形，且尺寸變化且長徑比小于0.1時(shí)，裂紋密度為：

36、

37、式中，a表示裂紋數(shù)密度，n表示單位體積裂紋數(shù)，a表示裂紋表面積，p表示裂紋周長，b表示裂紋密度，表示裂縫長度的平均值，la表示單位面積裂縫的總長度，m表示裂紋數(shù)密度，m表示裂紋長度。

38、進(jìn)一步地，所述對裂紋數(shù)密度和裂紋密度進(jìn)行量化，獲得峰值應(yīng)力后脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)的過程包括：裂紋數(shù)密度和裂紋密度的值越大，調(diào)整系數(shù)需越大。

39、進(jìn)一步地，所述石英在砂巖的占比采用以下公式計(jì)算：

40、

41、式中，ω表示石英的百分比含量，d表示石英的含量，e表示黏土礦物成分，f表示碳酸鹽巖礦物成分。

42、進(jìn)一步地，礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)與石英在砂巖的占比的關(guān)系為：石英在砂巖的占比越大，礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)越大。

43、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定系統(tǒng)。

44、一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定系統(tǒng)，包括：

45、吸水率確定模塊，其被配置為：選取砂巖試件進(jìn)行單面吸水，確定吸水率；

46、試驗(yàn)?zāi)K，其被配置為：確定砂巖試件的最大主應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，進(jìn)行真三軸加載試驗(yàn)；

47、第一計(jì)算模塊，其被配置為：根據(jù)真三軸加載試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到裂紋起裂應(yīng)力、裂紋損傷應(yīng)力和峰值應(yīng)力；

48、第二計(jì)算模塊，其被配置為：根據(jù)裂紋起裂應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，計(jì)算第一無因次參數(shù)；根據(jù)裂紋損傷應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，計(jì)算第二無因次參數(shù)；

49、第三計(jì)算模塊，其被配置為：根據(jù)第一無因次參數(shù)和第二無因次參數(shù)，計(jì)算峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)；

50、薄片制備模塊，其被配置為：對失效砂巖試件進(jìn)行切割，制備試驗(yàn)后斷裂面的薄片，獲取薄片的裂紋相關(guān)參數(shù)；

51、第四計(jì)算模塊，其被配置為：根據(jù)裂紋相關(guān)參數(shù)，計(jì)算裂紋數(shù)密度和裂紋密度；

52、量化模塊，其被配置為：對裂紋數(shù)密度和裂紋密度進(jìn)行量化，獲得峰值應(yīng)力后脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

53、第五計(jì)算模塊，其被配置為：采用x射線衍射對砂巖試件的礦物成分進(jìn)行分析，得到石英在砂巖的占比，并根據(jù)所述占比，得到礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

54、第六計(jì)算模塊，其被配置為：根據(jù)峰值前不同吸水水平砂巖的脆性指數(shù)、峰值應(yīng)力后脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)與礦物成分脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)的乘積，計(jì)算基于裂紋特征的脆性指數(shù)。

55、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

56、本發(fā)明提供了一種基于裂紋特征對不同含水率砂巖脆性指數(shù)確定的方法及系統(tǒng)。采用的具體方案為：選取試件進(jìn)行單面吸水，并將試件進(jìn)行不同時(shí)間程度的吸水，每組兩塊試件，以確定吸水率；確定三軸預(yù)設(shè)應(yīng)力，并進(jìn)行真三軸試驗(yàn)加載；得到應(yīng)力—應(yīng)變的關(guān)系，并利用聲發(fā)射傳感器、高速攝影儀獲得裂紋起裂應(yīng)力(σci)、裂紋損傷應(yīng)力(σcd)和峰值應(yīng)力(σp)；通過無因次參數(shù)(rci)和(rcd)，得到不同吸水水平砂巖的峰值應(yīng)力前的脆性指數(shù)(bj)；制備試驗(yàn)后斷裂面的薄片，并用掃描電鏡進(jìn)行檢查這些薄片，根據(jù)觀察到的裂紋長度、裂紋表面積等得到裂紋數(shù)密度和裂紋密度；將裂紋數(shù)密度和裂紋密度進(jìn)行量化，獲得峰值應(yīng)力后的脆性指數(shù)調(diào)整系數(shù)采用x射線衍射對砂巖的礦物成分進(jìn)行分析，得到石英在砂巖中的占比，并根據(jù)占比獲得脆性指數(shù)的調(diào)整系數(shù)(ψ)；將峰值應(yīng)力前的脆性指數(shù)與調(diào)整系數(shù)結(jié)合，得到基于裂紋特征的脆性指數(shù)(bi)。本發(fā)明考慮了巖體的組成成分和裂紋起裂應(yīng)力以及裂紋損傷應(yīng)力對脆性指數(shù)的影響，可從含水率和破壞模式的角度研究水對巖爆的影響及噴淋防止巖爆，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

57、本發(fā)明通過建立噴水與脆性指數(shù)之間的關(guān)系模型，可以對噴水過程中的脆性指數(shù)變化進(jìn)行預(yù)測和評估。

58、本發(fā)明可以有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于圍巖噴水對裂紋特征脆性指數(shù)影響研究不足的問題，為地下工程的噴水支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，本發(fā)明還可以為巖石力學(xué)、地質(zhì)工程等領(lǐng)域的研究提供有益的參考。