CN103954511B - 一种裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法 - Google Patents

Abstract

一种雕刻裂隙网络岩石试件及其裂隙渗流耦合实验装置及其方法，属于流体力学、岩石力学领域。本发明通过以下步骤实现：1、准备实验需要的岩石试件及尺寸大小；2、根据现实的裂隙，运用全自动化刻机雕刻出裂隙网络；3、采用具有电液伺服微机控制系统的数控直接剪切试验机进行实验；4、测裂隙网络的压力，根据公式推导得流速；5、测水或油在岩石裂缝变化发展状况；6、应用数码摄像设备记录着色水在裂缝内的流动过程和状态；7、结合实验建立模型。该实验方法改变了过去人工劈裂得到单一裂缝的模式来进行试件的剪切渗流实验，它能反应岩石内部裂隙的真实状况。该实验材料造价低，方便自己动手雕刻。雕刻速度快，测定装置占地小，操作简单。

Description

一种裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法

技术领域

本发明涉及一种裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法，属于流体力学、岩石力学领域。

背景技术

众所周知，岩石基础内部一般会含有众多的节理、裂隙等不连续构造，其裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，在复杂的地应力和地下水环境作用下，受到应力以及水的物理和化学的复杂作用，这些缺陷对岩体的力学行为和稳定性造成很大的影响。由于大量复杂裂隙分布于天然岩体中，致使岩体的力学性质及其渗透性都具有非均匀性和各向异性，不仅大大地改变了岩体的力学性质，也严重影响着岩体的渗透特性。

对于我国目前而言，大量规模宏大的岩土工程正在兴建或即将兴建，也必将出现大量与渗流耦合作用有关的问题。在矿山开采、水利水电、隧道、边坡加固等岩土工程中，节理裂隙对岩体工程的稳定性有着重要影响，一方面岩体裂隙是导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岩体强度。多年来国内外学者对岩体渗流问题进行了广泛的理论研究，裂隙面的几何形状决定于岩体的地质历史，一般能用几何参数来描述，如开度、频率分布、凸起空间分布关系和接触面积，这些参数以其各自的方式影响着节理裂隙的几何形状及裂隙内水的流动。例如著名的Tekon大坝的溃坝事件，就是典型的岩体渗流破坏问题，自从该事件发生，人们对于裂隙岩体的渗流问题日益重视。在1973年第三届国际断裂力学会议上，首次把隙岩体的渗流列为专题研究。岩石断裂力学将岩体的断续节理、裂隙模拟为裂纹，把岩体不再看作是完整的均质体，而看成是包含众多裂纹的复合结构体。Poston利用Griffith能量准则首次分析了类似于岩体的脆性材料压剪断裂过程中裂纹扩展方向与原生裂纹走向的关系。Douma等利用流固耦合理论讨论了水力压裂的起裂、扩展和闭合全过程的流固耦合现象,指出流固耦合在水力压裂中应用的重要性。

据统计，90%以上的岩体边坡破坏和地下水渗透力有关，60%的矿井事故与地下水作用有关，30%-40%的水电工程大坝失事是由渗流作用引起的。因此研究裂隙渗流的运动规律与破坏是必要的。国内外主要集中在单裂隙的渗流特性研究，关于多裂隙或复杂裂隙的实验研究比较少，我国张玉卓研究了具有4条不同角度裂隙的试样,在不同应力状态下，裂隙的渗流特性。刘亚晨等通过单、正交裂隙研究了高温、高压下的裂隙岩体渗透特性，而对于裂隙网络的研究或实验更是进展缓慢。

发明内容

目前获取岩石试件裂缝，大多采用人工劈裂或多块碎裂岩块组合形成完整岩石的方式，这种方式适用于单一裂缝，对形成的复杂裂缝不足以反映岩石内部裂隙的真实状况，因此本发明针对以上方法的缺陷，采用雕刻机在机床上雕刻青石板形成含有复杂裂隙网络的裂缝，并运用数控直接剪切试验机进行实验，建立裂隙网络岩石剪切-渗流耦合模型模拟岩石内部裂隙的真实状况，进而研究岩体裂隙渗流的运动规律。

本发明涉及的裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法，包括以下步骤:

（1）选取试件材料与尺寸。选取两块大小相同且长、宽为10-80cm，厚为0.8-2cm的矩形形状的青石板作为试件。

（2）雕刻平面裂隙网络。把所述两块青石板试件放在雕刻机上，由计算机随机生成裂缝，并控制雕刻机在所述两块青石板试件上雕刻相同的，，构成裂隙网络的裂缝宽度为0.5-3mm。

（3）制作实验样本。在所述青石板试件的两侧分别加装玻璃固定，并在青石板试件与玻璃间涂上胶。这样做的目的是为了一方面是防止注水的时候，水会渗出来；另一方面是防止切割的岩土破碎，能够起加固的作用。

（4）采用具有电液伺服微机控制系统的数控直接剪切试验机进行实验。把所述实验样本放在实验仪器上进行实验，具体为：一次实验把两块尺寸大小完全相同、且裂隙网络相同的青石板构成的实验样本叠加在一起并立于加载器上，水平方向的加载板贴近实验样本，固定好实验样本。开启压力伺服系统的出口、进口及围压进口，以提供压力，其中，进口与实验样本上表面的裂缝相连，出口与实验样本下表面的裂缝相连，围压进口与实验样本的四周相连，以提供围压压力。再将油压伺服系统的出油口与围压进口相连。

（5）测裂隙网络的压力，根据公式推导得出流速。对含有裂隙网络的青石板实验样本竖向施加的力为p，当p分别为1Mpa、2Mpa、3Mpa时，在仪器的进口注入液体贯通整个裂隙网络测量裂隙网络流速。由于裂隙网络的复杂性，每条裂隙的流速是不相同的，一般的微型传感器也不能直接进行测量。因此，选取裂缝的关键处，如青石板试件的X字型、Y字型裂缝处的侧面钻出连接到裂缝处的微型口，其直径是0.6-1cm，在微型孔插入橡胶管，橡胶管与裂缝的接触处用防水胶密封，橡胶管的末端与一个半圆形槽连接，在半个圆形槽里放入压力传感器，测量压力值，根据下列公式可求得流速v，其中:v为水的流速；k为渗透系数；i为水力梯度；△p为压力增量；g为重力；ρ为密度。

$v=\mathrm{ki}=k\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρg}}$

（6）监测实验样本在液体压力作用下裂缝变化发展状况。分别选取掺有颜料的水、油，或油水混合物通过剪切试验机的压力伺服系统的进口注入实验样本的裂隙网络中，采用安装于剪切试验机周围的微型摄像头记录液体在裂缝内的流动过程和状态，观察比较青石板试件中裂纹的扩展、贯通直至整个结构破裂的过程，该过程采用并实时测量记录所述压力传感器的压力值。

（7）结合实验建立模型。将测量结果输入进行仿真再现，通过建立模型验证裂隙网络中的裂缝变形及稳定分析。

该实验方法具有以下优点：

（1）本发明采用岩石为青石板来刻裂缝，而非采用相似材料来模拟实际的岩石裂隙，改变了传统裂隙采用人工劈裂的模式来进行试件的剪切渗流实验。

（2）数控剪切试验机用数控系统代替弹簧模拟节理周围围岩的变形刚度特性，克服了以往剪切试验机缺点，能适应围压影响下节理变形特点。

（3）采用自动化机床雕刻方式，并把裂缝宽度控制在最小0.5mm，能再现实际裂缝的宽度，更加真实立体。抛弃了过去最小6mm的切割模式。

（4）借助数字摄像设备，应用图像相关分析的数字照相变形量测技术来适时计算剪切渗流耦合试验中裂隙力学开度的变化过程，以便更形象和详实地研究力学开度和水力学开度间的关系，及应力渗流耦合性质。

（5）实验获得的水压信息和流速可进行全自动实时采集，并整理保存。通过实验，分析总结得出它的流速普遍规律性，推导出渗透水压力作用的裂隙岩体本构关系方程。

（6）本发明实验材料造价低，方便自己动手雕刻。雕刻速度快，测定装置占地小，操作简单。

附图说明

图1是含有裂隙网络青石板示意图。

图2是玻璃板固定青石板的示意图。

图3测交叉裂隙处方法示意图：A为压力传感器B为裂隙水流向。

图4岩石数控剪切试验机示意图。

图5是裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法的流程图。

其中：1、加载端 2、固定端 3、流量计 4、渗透水收集测量装置 5、计算机 6、竖向加载控制器 7、横向加载控制器 8、9、伺服电机 10、竖向伺服加载系统 11、横向伺服加载系统

具体实施方式

裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法，包括以下步骤:

（1）选取试件材料与尺寸。选取两块大小相同且长、宽为10-80cm，厚为0.8-2cm的矩形形状的青石板作为试件。

（2）雕刻平面裂隙网络。把所述两块青石板试件放在雕刻机上，由计算机随机生成裂缝，并控制雕刻机在所述两块青石板试件上雕刻相同的，构成裂隙网络的裂缝宽度为0.5-3mm。

（3）制作实验样本。在所述青石板试件的两侧分别加装玻璃固定，并在青石板试件与玻璃间涂上胶。这样做的目的是为了一方面是防止注水的时候，水会渗出来；另一方面是防止切割的岩土破碎，能够起加固的作用。

（4）采用具有电液伺服微机控制系统的数控直接剪切试验机进行实验。把所述实验样本放在实验仪器上进行实验，具体为：一次实验把两块尺寸大小完全相同、且裂隙网络相同的青石板构成的实验样本叠加在一起并立于加载器上，水平方向的加载板贴近实验样本，固定好实验样本。开启压力伺服系统的出口、进口及围压进口，以提供压力，其中，进口与实验样本上表面的裂缝相连，出口与实验样本下表面的裂缝相连，围压进口与实验样本的四周相连，以提供围压压力。再将油压伺服系统的出油口与围压进口相连。

（5）测裂隙网络的压力，根据公式推导得出流速。对含有裂隙网络的青石板实验样本竖向施加的力为p，当p分别为1Mpa、2Mpa、3Mpa时，在仪器的进口注入液体贯通整个裂隙网络测量裂隙网络流速。由于裂隙网络的复杂性，每条裂隙的流速是不相同的，一般的微型传感器也不能直接进行测量。因此，选取裂缝的关键处，如青石板试件的X字型、Y字型裂缝处的侧面钻出连接到裂缝处的微型口，其直径是0.6-1cm，在微型孔插入橡胶管，橡胶管与裂缝的接触处用防水胶密封，橡胶管的末端与一个半圆形槽连接，在半个圆形槽里放入压力传感器，测量压力值，根据达西定律公式可求得流速v。

（6）监测实验样本在液体压力作用下裂缝变化发展状况。分别选取掺有颜料的水、油，或油水混合物通过剪切试验机的压力伺服系统的进口注入实验样本的裂隙网络中，采用安装于剪切试验机周围的微型摄像头记录液体在裂缝内的流动过程和状态，观察比较青石板试件中裂纹的扩展、贯通直至整个结构破裂的过程，并实时测量记录所述压力传感器的压力值。

（7）结合实验建立模型。将测量结果输入进行仿真再现，通过建立模型验证裂隙网络中的裂缝变形及稳定分析。

Claims (2)

1.一种裂隙网络岩石剪切-渗流耦合实验方法，其特征在于：包括以下步骤:

(1)选取两块大小相同且长、宽为10-80cm，厚为0.8-2cm的矩形形状的青石板作为试件；

(2)把所述两块青石板试件放在雕刻机上，由计算机随机生成裂缝，并控制雕刻机在所述两块青石板试件上雕刻相同的裂隙网络；

(3)制作实验样本：在所述两块青石板试件的两侧分别加装玻璃固定，并在青石板试件与玻璃间涂上胶；

(4)采用具有电液伺服微机控制系统的数控直接剪切试验机进行实验：把实验样本放在实验仪器上进行实验，具体为：一次实验把两块尺寸大小完全相同、且裂隙网络相同的青石板构成的实验样本叠加在一起并立于加载器上，水平方向的加载板贴近实验样本，固定好实验样本，开启压力伺服系统的出口、进口及围压进口，以提供压力，其中，进口与实验样本上表面的裂缝相连，出口与实验样本下表面的裂缝相连，围压进口与实验样本的四周相连，以提供围压压力；

(5)裂隙网络压力的测量，通过测量裂缝处的压力值，由达西定律公式求算得到网络流速；对含有裂隙网络的青石板实验样本竖向施加的力为p，当p分别为1Mpa、2Mpa、3Mpa时，在仪器的进口注入液体贯通整个裂隙网络测量裂隙网络流速；其中测量裂缝处的压力值的方法为：在青石板试件的X字型或Y字型裂缝处的侧面钻出连接到裂缝处的微型孔，其直径是0.6-1cm，在微型孔插入橡胶管，橡胶管与裂缝的接触处用防水胶密封，橡胶管的末端与一个半圆形槽连接，在半圆形槽里放入压力传感器，测量压力值；

(6)分别选取掺有颜料的水、油或油水混合物通过剪切试验机的压力伺服系统的进口注入实验样本的裂隙网络中，采用安装于剪切试验机周围的微型摄像头记录液体在裂缝内的流动过程和状态，观察比较青石板试件中裂纹的扩展、贯通直至整个结构破裂的过程，并实时测量记录所述压力传感器的压力值；

(7)结合实验建立模型，将测量结果输入进行仿真再现，通过建立模型验证裂隙网络中的裂缝变形及稳定分析。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中构成裂隙网络的裂缝宽度为0.5-3mm。