CN105628895A - 充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法 - Google Patents

充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，包括以下步骤：设计充填裂隙岩石流固耦合性能正交试验方案，采集原岩，根据所述试验方案制作具有不同裂隙结构的试件；根据所述正交试验方案，用不同级配的裂隙填充物填充所述试件，并测量所述试件在不同围压和轴压下的渗透系数；在渗透试验系统中，测量所述试件的抗压强度，并测量所述试件在加压过程中的裂隙扩展长度；处理正交试验数据，分别得到对所述抗压强度、所述渗透系数和所述裂隙扩展长度这三个评价指标影响显著的显著因素；针对各所述评价指标的所述显著因素，进行多因素多水平的全面实验，并对所述全面试验的试验数据进行统计分析，进而获得充填裂隙岩石的流固耦合性能。

Description

充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法
技术领域
本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法。
背景技术
渗透性较好的裂隙岩体是地下工程中常见的复杂介质，其力学参数、渗透特性以及裂隙扩展规律的研究是当前岩体力学研究领域的热点之一。
关于岩体裂隙的渗流研究前人已有诸多成果，但现有试验中很少有系统地研究填充物条件下，渗透性较好的裂隙岩体在水压力、围压、轴压、填充物厚度、粒径级配等不同因素影响下的力学性能、渗流规律和裂隙扩展规律。开展这方面研究，可以丰富和完善现有的岩体裂隙渗流理论和裂隙岩石力学性能的研究，具有很高的工程价值。
现有技术存在下述问题：
一、目前无实验研究来定量评价各因素对岩体流固耦合性能的影响。
二、目前的试验无法定量给出影响岩体流固耦合性能比较显著的因素，以及这些影响因素对流固耦合性能的显著程度。
三、由于影响岩体流固耦合性能的因素很多，因此如果综合研究各影响因素之间相互作用下对岩体流固耦合性能的影响，所需试验数量非常庞大，没有可操作性，因此目前没有进行大数量试验的研究。
四、目前的试验方法不能将岩体裂隙渗流性能和裂隙岩石力学性能有效结合，综合全面的得出影响流固耦合性能的各方面因素。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：初步确定影响充填裂隙岩石流固耦合性能的影响因素，设计充填裂隙岩石流固耦合性能正交试验方案，采集原岩，根据所述试验方案制作具有不同裂隙结构的试件；
步骤2：根据所述正交试验方案，用不同级配的裂隙填充物填充所述试件，并测量所述试件在不同围压和轴压下的渗透系数；
步骤3：在渗透试验系统中，测量所述试件的抗压强度，并测量所述试件在加压过程中的裂隙扩展长度；
步骤4：处理正交试验数据，分别得到对所述抗压强度、所述渗透系数和所述裂隙扩展长度这三个评价指标影响显著的显著因素；
步骤5：针对各所述评价指标的所述显著因素，进行多因素多水平的全面实验，并对所述全面试验的试验数据进行统计分析，进而定量检测所述充填裂隙岩石的流固耦合性能。
步骤1中，所述正交试验方案的影响因素，包括所述试件的裂隙倾斜角度、裂隙长度、裂隙宽度、所述填充物的级配、所述围压、所述轴压和水压力中的几种或全部因素；所述正交试验方案的评价指标为所述抗压强度、所述渗透系数和所述裂隙扩展长度。
步骤1中，各所述影响因素的水平范围，根据工程经验和已发表的相关成果确定。
步骤1中，所述裂隙结构为非贯穿裂隙；采用切割机制作所述具有不同裂隙结构的试件，所述试件为国际岩石力学学会推荐的标准尺寸的试件。
步骤2中，所述用不同级配的裂隙填充物填充所述试件的具体过程为：通过测试、计算裂隙体积，利用高精度电子天平称重充填材料后，实时所述裂隙填充物的裂隙充填。
步骤2中，所述裂隙填充物为从现场工地中采集的当地岩石裂隙中的一般填充物，并利用级配筛分筛筛取。
步骤3中，所述渗透实验系统为带渗透装置的电液伺服岩石试验系统。
步骤3中，所述测量所述试件的抗压强度，并测量所述试件在加压过程中的裂隙扩展长度的过程为：在所述试件表面安置声发射传感器，同时启动所述渗透实验系统和声发射检测仪，继续利用渗流试验系统对所述试件进行轴压试验，利用所述声发射检测仪对所述试件进行裂隙扩展检测，进而测得所述试件的所述所述抗压强度和所述裂隙扩展长度。
步骤4中，所述影响显著的显著因素是指，该因素值改变单位大小时，使设定的岩石的流固耦合性能评价指标的变化率大于设定值的概率大于设定概率。
一个影响因素改变时，会使相应的评价指标发生数值变化，该评价指标变化率大于设定值的情况是一个概率性事件，当变化率大于设定值的概率大于设定概率时，表明发生该事件的可能性很大，能够满足相应要求(设定概率)，此时，这个影响因素即为显著影响因素。
正交试验处理方法包括极差R分析、方差分析以及贡献率M分析。
所述极差R分析需考虑误差(空白列)的影响，空白列的极值R’若大于因素极值Ri，则可能该因素对填充裂隙岩石流固耦合性能影响不显著。
所述贡献率M分析为K因素平方和与总平方和之比，即M＝SK/S，贡献率愈大，则表示该项因素对该评价指标的影响能力愈强。
步骤5中，对所述全面试验的试验数据进行统计分析的过程为：根据所述全面试验数据，利用回归分析的方法，分别找到各所述显著因素对相应的所述评价指标的回归关系式；利用获得的所述流固耦合性能，指导地下工程渗流控制和支护稳定的工程实践。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，特别涉及地下工程中渗透性较好的岩石材料的地质条件下，地下工程的渗流治理与支护设计。试验采集岩块经岩石取芯机、切割机取样，制样打磨后再对岩石进行裂隙处理来模拟地下工程的裂隙岩石，通过对影响裂隙岩石耦合性能的各因素设计不同水平的正交试验，得到实验数据后对各因素进行正交实验分析，得到对裂隙岩石抗压强度、渗透系数和裂隙扩展长度影响显著的因素，对影响每种评价指标显著的因素以及其不同水平进行全面实验，得出大量数据后利用回归分析的方法，分别找到对抗压强度、渗透系数和裂隙扩展长度影响显著性因素与各自的回归关系式。
本发明将渗透实验系统和声发射检测仪相结合，二者配合使用，从而将岩体裂隙渗透性和裂隙岩石力学性能相结合，进而获得复杂地质条件下的岩石流固耦合性能的影响因素及影响规律，可以丰富和完善现有的岩体裂隙渗流理论和裂隙岩石力学性能的研究，具有很高的工程价值。
本发明先利用正交试验方法设计实施充填裂隙岩石流固耦合性能试验，可以通过较少的实验次数在众多影响充填裂隙岩石的流固耦合性能的因素中，确定出显著性影响因素，然后只对显著性影响因素进行全面试验，不仅使得试验捉住主要因素，容易得出影响流固耦合性能的主要规律，而且通过去除次要因素，节约了试验时间和成本，降低试验的难度，此试验思路对该领域的其他试验研究，也具有思想上的指导意义。
本发明在处理全面试验得出的实验数据时，不仅分析单个因素对渗流系数的影响，而且通过构造多因素与评价指标的公式，反映多因素耦合作用对充填裂隙岩石流固耦合性能的普遍意义规律，对地下工程的渗流控制和支护稳定具有现实的指导意义。
本发明公布的方法科学、严谨，能对影响充填裂隙岩石流固耦合性能的各因素做全面的研究，对地下工程渗流治理和支护设计与实施具有指导意义。
附图说明
图1是非贯穿裂隙岩石试样示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：从地下工程中采集待研究渗透性较好的原岩，经岩石取芯机、切割机取样制作成标准试件，然后在切割机上处理成具有不同倾斜角度、长度和裂隙宽度的非贯穿裂隙试件。
步骤2：用不同级配的裂隙填充物填充试件，置于渗透试验系统中，在施加不同的围压、轴压和渗透水压力条件下，实施充填裂隙岩石渗流试验，并测量每次试验的渗透系数；
步骤3：测完渗透系数后，在渗透实验系统旁放置声发射检测仪，并在试件表面安置声发射传感器，调节、初始设置声发射检测仪；
步骤4：同时启动渗透实验系统和声发射检测仪，继续利用渗流试验系统对此试件进行轴压实验，声发射检测仪对试件进行裂隙扩展检测，测得其抗压强度和裂隙扩展长度；
步骤5：处理正交试验数据，并分别找到对抗压强度、渗透系数和裂隙扩展长度影响显著的因素；
步骤6：对每种评价指标影响显著因素，进行多因素多水平的全面实验。
步骤6：根据全面数据的规律，利用回归分析的方法，分别找到对每种评价指标影响显
著的因素与渗透系数、抗压强度以及裂隙扩展长度的回归关系式；
步骤7：指导地下工程渗流控制和支护稳定的工程实践。
步骤1中所述从地下工程渗透性较好的岩体中取样，并制成圆柱形岩石标准试件，即国际岩石力学学会推荐的岩石试样尺寸。
步骤1、步骤2中所述根据影响裂隙岩石流固耦合性能的大致水平，设计初步的正交试验方案，其过程为：裂隙长度为l，宽度为d，倾斜角度为α，填充物的级配为ε，围压为ω，轴压为n,水压力为s等作为影响裂隙岩石流固耦合性能的相关因素，根据工程经验和已发表的相关成果，确定各因素水平的大致范围，并从中确定试验方案中所采用的各因素水平，将相应因素各水平组合来设计试验方案，例如lidjαkεlωmnnso代表l因素第i水平、d因素第j水平、α因素第k水平、ε因素第l水平等，并从中确定试验方案中所采用的各因素水平。
步骤2中所述充填材料选用：填充不同粗细程度的填充物，裂隙填充物为从待开展地下工程中取当地岩石裂隙中的一般填充物，并利用级配筛分筛筛取。
步骤2中所述裂隙充填材料拟选择定量充填的方法，通过测试、计算裂隙体积，利用高精度电子天平称重充填材料后，实施裂隙充填。
步骤2中所述的渗透实验系统为带渗透装置电液伺服岩石试验系统。
步骤3中所述的声发射检测仪，用来检测试件裂隙扩展长度。
步骤4中所述的抗压强度和裂隙扩展长度的测量同时进行，即测量试件抗压强度过程中伴随着裂隙扩展。
步骤5中所述的利用正交试验数据处理方法进行数据处理，依据数据处理结果综合分析判断，确定影响填充裂隙岩石流固耦合性能较显著的因素。
所述正交试验处理方法包括极差R分析、方差分析以及贡献率M分析。
所述极差R分析需考虑误差(空白列)的影响，空白列的极值R’若大于因素极值Ri，则可能该因素对填充裂隙岩石流固耦合性能影响不显著。
所述贡献率M分析为K因素平方和与总平方和之比，即M＝SK/S，贡献率愈大，则表示该项因素对该评价指标的影响能力愈强。
步骤6中所述的渗透系数、抗压强度和裂隙扩展长度为填充裂隙岩石流固耦合性能的评价指标。
步骤6中所述回归分析的方法，利用多元二次多项式线性回归模型，利用最小二乘法的原理和全面试验数据，分别找到对每种评价指标影响显著的因素与渗透系数、抗压强度以及裂隙扩展长度的回归关系式。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计充填裂隙岩石流固耦合性能正交试验方案，采集原岩，根据所述试验方案制作具有不同裂隙结构的试件；
步骤2：根据所述正交试验方案，用不同级配的裂隙填充物填充所述试件，并测量所述试件在不同围压和轴压下的渗透系数；
步骤3：在渗透试验系统中，测量所述试件的抗压强度，并测量所述试件在加压过程中的裂隙扩展长度；
步骤4：处理正交试验数据，分别得到对所述抗压强度、所述渗透系数和所述裂隙扩展长度这三个评价指标影响显著的显著因素；
步骤5：针对各所述评价指标的所述显著因素，进行多因素多水平的全面实验，并对所述全面试验的试验数据进行统计分析，进而获得充填裂隙岩石的流固耦合性能。
2.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述正交试验方案的影响因素，包括所述试件的裂隙倾斜角度、裂隙长度、裂隙宽度、所述填充物的级配、所述围压、所述轴压和水压力中的几种或全部因素；所述正交试验方案的评价指标为所述抗压强度、所述渗透系数和所述裂隙扩展长度。
3.根据权利要求2所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤1中，各所述影响因素的水平范围，根据工程经验和已发表的相关成果确定。
4.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述裂隙结构为非贯穿裂隙；采用切割机制作所述具有不同裂隙结构的试件，所述试件为国际岩石力学学会推荐的标准尺寸的试件。
5.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤2中，所述用不同级配的裂隙填充物填充所述试件的具体过程为：通过测试、计算裂隙体积，利用电子天平称重充填材料后，实时所述裂隙填充物的裂隙充填。
6.根据权利要求1或5所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤2中，所述裂隙填充物为从现场工地中采集的当地岩石裂隙中的一般填充物，并利用级配筛分筛筛取。
7.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤3中，所述渗透实验系统为带渗透装置的电液伺服岩石试验系统。
8.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤3中，所述测量所述试件的抗压强度，并测量所述试件在加压过程中的裂隙扩展长度的过程为：在所述试件表面安置声发射传感器，同时启动所述渗透实验系统和声发射检测仪，继续利用渗流试验系统对所述试件进行轴压试验，利用所述声发射检测仪对所述试件进行裂隙扩展检测，进而测得所述试件的所述抗压强度和所述裂隙扩展长度。
9.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤4中，所述影响显著的显著因素是指，该因素值改变单位大小时，能够使设定的岩石的流固耦合性能评价指标的变化率大于设定值的概率大于设定概率。
10.根据权利要求1所述的一种充填裂隙岩石流固耦合性能的检测方法，其特征在于：步骤5中，对所述全面试验的试验数据进行统计分析的过程为：根据所述全面试验数据，利用回归分析的方法，分别找到各所述显著因素对相应的所述评价指标的回归关系式；利用获得的所述流固耦合性能，指导地下工程渗流控制和支护稳定的工程实践。
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