CN107884288B - 高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样制作及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法，包括：1）制作含断续节理的岩石压缩剪切试样：2）采用含断续节理的岩石压缩剪切试样进行剪切强度测试：a)利用岩石高温三轴压缩试验设备对试样直接加载，进行含断续节理的岩石压缩试验，测定含断续节理的抗剪切强度；b)利用岩石高温三轴压缩试验设备在温度压力室内进行高温高压条件下的节理剪切试验及试验过程的声发射AE、CT扫描研究:C）含续节理岩石压缩剪切试样的剪切面在10℃～200℃时的抗剪强度指标（内聚力和内摩擦角）的测试。本发明可进行试样压缩时声发射（AE）试验、压缩过程的CT扫描试验，具有探索温度压力条件对节理性质的影响试验的优点，弥补了传统岩石试样的不足。

Description

高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样制作及试验方法

技术领域

本发明涉及是一种能够在高温高压条件下进行含断续节理的压缩试验和剪切试验的模型制作方法，以及基于这种试样的试验方法。该岩石试样可在温度压力室提供的各种温度压力条件下进行压缩试验，以及岩石试样固定剪切面的抗剪强度测试；在剪切面的位置可制作出断续节理，用于探究温度、压力条件对节理性质的影响。

背景技术

随着国家基础建设高速发展和西部大开发不断深入，工程建设中出现了一些新的岩体工程问题，深埋隧洞中岩体的热力学性质即是其中突出问题之一，这是经典岩体力学尚未有成熟研究成果的领域，亟待解决。例如，新疆布仑口-公格尔水电站引水隧洞施工中，发现洞前段存在高地温问题，岩性为云母石英片岩夹石墨片岩，高地温洞段集中在 3# 支洞下游，测得岩石温度达 105 ℃，为目前高地温洞段之最（侯代平等，2013）。另外，新疆地区齐热哈塔尔水电站引水隧洞为例,隧洞全长15.66km,最大埋深仅为1 800m,但地温最大处却达到了90℃, 另外，意大利化平宁隧道工程岩体温度达到63.8℃，日本安房公路隨道埋深700m，地温值就达到达77.5℃，在这种高温高压环境下,深部岩石表现出与浅部截然不同的力学特性，致使深部地下工程发生突发性工程地质灾害的风险大。另外，地热资源开发、矿山开采、煤层瓦斯的综合利用、深层地下核废料的储存等，常涉及到高温作用下岩石的力学特性。

在深埋高温环境下，温度压力条件不仅影响着岩石的性质，而且对节理性质的影响更加重要。目前，由于受试验仪器的限制，探究温度对断续节理性质影响的试验较难开展。在常规岩石的直剪试验、三轴剪切试验中，不足在于1）常规直剪试验由于试样形状为立方体，受配套设备限制，不能进行剪切过程的CT扫描、声发射（AE）研究，同时立方体试样不能放到温度压力室中进行高温高压条件下进行直剪试验；2）三轴剪切试验中虽然为圆柱状试样（直径为50mm、高度为100mm），但是只能操作均质的岩石试样，另外该仪器只能进行压缩试验，不能进行预制面的剪切破坏。尤其是此类试样中无裂纹，不能进行断续节理的剪切试验，不能测定出含断续节理的剪切面强度；3）目前已有的剪切试验方法难以用在探究温度对节理性质影响的试验中。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种加工制作简单，操作方便，实用性强，利用已有的岩石高温三轴压缩试验设备能进行剪切试验，并制作具有含断续节理的固定剪切面、能够在温度压力室提供的高温高压条件下进行对断续节理剪切的岩石试样；其不仅能快速、简单的测量岩石、混凝土、以及不同温度压力条件下断续节理的剪切强度，而且能结合试验设备的配套装置满足剪切过程声发射（AE）试验、CT扫描试验、探究温度对节理性质的影响研究，满足高温三轴剪切试验对试样的要求，实现高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法，包括以下步骤：

1）制作含断续节理的岩石压缩剪切试样：以直径为50mm、高为100mm标准圆柱体试件的任意一中心轴截面为剪切面，在圆柱体试件一端切割掉该中心轴截面一侧的高为h的半圆柱台体、剩余有高为h的半圆柱台阶式的第一凸起部，在圆柱体试件的另一端切割掉位于该中心轴截面另一侧形状和大小完全相同的厚为h的半圆柱台体、剩余有对应于另一端切割掉部分的高为h的半圆柱台阶式的第二凸起部，切割时应使第一、第二凸起部的两对应面均在圆柱体试件同一中心轴截面上；第一、第二凸起部的对应面所在的中心轴截面位置即为既定的剪切面所在的位置，在既定的剪切面的位置根据试验需要切割形成长、宽不同、大小不同、位置不同的断续节理，最终获得高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样；

2）采用含断续节理的岩石压缩剪切试样进行含断续节理的强度测试：

a)利用岩石高温三轴压缩试验设备对试样直接加载，进行含断续节理的岩石试样的压缩试验，测定含断续节理的剪切面强度；

b)利用岩石高温三轴压缩试验设备在温度压力室内进行高温高压条件下的节理剪切试验及试验过程的声发射系统（AE）、CT扫描研究:CT扫描设备采用螺旋CT扫描仪，螺旋CT扫描仪与岩石高温三轴压缩试验设备配套且与声发射系统一体化组装，将声发射系统（AE）的换能器探头用凡士林紧贴在岩石压缩剪切试样的一个侧面上，使换能器探头与岩石压缩剪切试样侧面达到最佳耦合，即同步采集在剪切载荷作用下变形破坏的声发射信号，由温度压力室提供不同的温度压力条件，由岩石高温三轴压缩试验设备在岩石压缩剪切试样上表面施加均布竖向剪切力（F），实现竖向剪切力的伺服加载，随着剪切力的增加，当竖向剪切力在既定的剪切面上产生的剪应力超过岩石压缩剪切试样的抗剪强度值τ时，岩石压缩剪切试样将近似沿着既定的剪切面产生宏观剪切破坏，其抗剪强度τ计算公式为：

式中：F—剪切力：A—剪切面积

C）含续节理岩石压缩剪切试样的剪切面在10℃～200℃时的抗剪强度指标（内聚力和内摩擦角）的测试：

取相同条件的至少5个岩石压缩剪切试样，在温度控制在10℃～200℃时，分别在不同围压σ₃条件下进行压缩试验，至试件破坏时，记录破坏时的荷载F、围压条件σ₃，计算相应的抗剪强度τ，绘制σ～τ曲线，根据摩尔-库仑强度公式，得到该含断续节理的剪切面在10℃～200℃时的抗剪强度指标内聚力和内摩擦角：

上述的岩石高温三轴压缩试验设备为MTS岩石伺服试验机，螺旋CT扫描仪采用SIEMENSSOMATOM-PLUS螺旋CT扫描仪。

本发明高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样制作及试验方法，这种改进的岩石试样为剪切试验CT扫描、声发射（AE）研究，以及探究温度对节理性质的影响、不同演化阶段的细观裂纹扩展等进一步分析提供了试验手段。丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。

相对传统立方体试样，由于试样形状和配套设备的限制而不能进行剪切试验过程的声发射（AE）研究和高温高压条件下节理直剪试验。本发明岩石压缩剪切试样可进行断续节理的直接剪切试验，能够在温度压力室内测量含断续节理的既定剪切面强度，试样基础形状为标准圆柱体，满足了声发射(AE)试验对试样的要求，满足温度压力室对圆柱形试样的要求，同时又有既定的剪切面，可添加断续节理，是真正的纯剪切试验。本发明可为岩石剪切面破坏时的细观力学特性、变形特性研究，以及裂隙的发展研究提供了试验的基础；也使高温（可达200℃）高压（可达140MPa）条件下的断续节理的纯直剪试验成为可能。

附图说明

图1为本发明试样立体示意图。

图2为本发明试样俯视图。

图3为本发明试样主视图。

图4为图3中的左视图。

图5为CT-AE-压力机测试系统一体化组装示意。

图6为本发明在高温高压条件下的加载示意图。

图7为本发明加载时剪切面的受力示意图。

具体实施方式

参见图1～图7，本发明高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法，包括以下步骤：

1）制作含断续节理的岩石压缩剪切试样：以直径为50mm、高为100mm标准圆柱体试件的任意一中心轴截面1为剪切面，在圆柱体试件一端切割掉该中心轴截面一侧的高为h＝5mm的半圆柱台体、剩余有高为h＝5mm的半圆柱台阶式的第一凸起部2。在圆柱体试件的另一端切割掉位于该中心轴截面另一侧形状和大小完全相同的高h为5mm的半圆柱台体、剩余有对应于另一端切割掉部分的高h为5mm的半圆柱台阶式的第二凸起部3。切割时应使第一、第二凸起部的两对应面均在圆柱体试件同一中心轴截面上。第一、第二凸起部的对应面所在的中心轴截面1位置即为既定的剪切面所在的位置。在既定的剪切面的位置根据试验需要切割形成长、宽不同、大小不同、位置不同的断续节理4。最终获得高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样（图1～图4）。也可通过制作的模具浇筑获得上述岩石压缩剪切试样，在浇筑时可在既定剪切面的位置放置隔离膜（大小和位置根据试验需要确定），在养护完成后即可形成断续节理；

2）采用含断续节理的岩石压缩剪切试样进行含断续节理的强度测试：

a)利用岩石高温三轴压缩试验设备对试样直接加载，进行含断续节理的岩石试样的压缩试验，测定含断续节理的剪切强度；

b)利用岩石高温三轴压缩试验设备在温度压力室内进行高温高压条件下的节理剪切试验及试验过程的声发射系统AE、CT扫描研究:CT扫描设备采用SIEMENSSOMATOM-PLUS螺旋CT扫描仪：利用岩石高温三轴压缩试验设备（MTS岩石伺服试验机）对岩石压缩剪切试样可直接加载，对含断续节理的岩石压缩剪切试样压缩，测定含断续节理的剪切面强度；同时可利用岩石高温三轴压缩试验设备(MTS岩石伺服试验机）在温度压力室内进行高温高压条件下的节理剪切试验及试验过程的声发射（AE）、CT扫描研究（参见图5、图6）。CT扫描设备采用SIEMENSSOMATOM-PLUS螺旋CT扫描仪。该螺旋CT扫描仪与三轴加载岩石高温三轴压缩试验设备配套、且与声发射系统进行一体化组装，将声发射系统（AE）的换能器探头用凡士林紧贴在试样的一个侧面上，使换能器探头与岩石压缩剪切试样侧面达到最佳耦合，即可同步采集在剪切载荷作用下变形破坏的声发射信号。设定声发射测试分析系统（PCI–2型）的主放为40dB，门槛值为40dB，探头谐振频率为20～400 kHz，采样频率为10P6P次/s，声发射探头安装位置及CT扫描设备及断面分布如图5所示。由温度压力室提供不同的温压条件，由岩石高温三轴压缩仪加载系统在试样上表面施加均布竖向剪切力（F），实现竖向剪切力的伺服加载。随着剪切力的增加，当竖向剪切力在既定的剪切面上产生的剪应力超过岩石压缩剪切试样的抗剪强度值（τ）时，岩石压缩剪切试样将近似沿着既定的剪切面产生宏观剪切破坏（图7）。其抗剪强度（τ）计算公式为：

式中：F—剪切力：A—剪切面积；

C）含断续节理岩石压缩剪切试样的剪切面在150℃时的抗剪强度指标内聚力和内摩擦角的测试：

取相同条件的岩石压缩剪切试样5个，在温度控制在150℃时，分别在不同围压（σ₃）条件下进行压缩试验，至试件破坏时，记录破坏时的荷载F、围压条件（σ₃），计算相应的抗剪强度（τ），绘制σ～τ曲线，根据摩尔-库仑强度公式，就可得到该含断续节理的剪切面在T℃时的抗剪强度指标内聚力和内摩擦角：

图6中序号5、6、7、8、9、10分别为岩石高温三轴压缩仪千斤顶、岩石高温三轴压缩仪固定基座、温度压力室、出油口、本发明岩石压缩剪切试样、进油口。

本发明的试样加工制作简单，操作方便，实用性强，利用已有的岩石高温三轴压缩试验设备能够在温度压力室提供的高温高压条件下进行断续节理剪切试验；其不仅能快速、简单地测量岩石、混凝土，以及不同温度压力条件下断续节理的剪切强度，而且能结合试验设备的配套装置满足剪切过程声发射（AE）试验、CT扫描试验、探究温度对节理性质影响的试验，实现高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的试验。

上述实施例是对本发明的上述内容进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (2)

1.高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法，包括以下步骤：

1）制作含断续节理的岩石压缩剪切试样：以直径为50mm、高为100mm标准圆柱体试件的任意一中心轴截面为剪切面，在圆柱体试件一端切割掉该中心轴截面一侧的高为h的半圆柱台体、剩余有高为h的半圆柱台阶式的第一凸起部，在圆柱体试件的另一端切割掉位于该中心轴截面另一侧形状和大小完全相同的高为h的半圆柱台体、剩余有对应于另一端切割掉部分的高为h的半圆柱台阶式的第二凸起部，切割时应使第一、第二凸起部的两对应面均在圆柱体试件同一中心轴截面上；第一、第二凸起部的对应面所在的中心轴截面位置即为既定的剪切面所在的位置，在既定的剪切面的位置根据试验需要切割形成长、宽不同、大小不同、位置不同的断续节理，最终获得高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样；

2）采用含断续节理的岩石压缩剪切试样进行含断续节理的强度测试：

a)利用岩石高温三轴压缩试验设备对岩石压缩剪切试样直接加载，对含断续节理的岩石压缩剪切试样进行压缩，测定含断续节理的剪切面强度；

b)利用岩石高温三轴压缩试验设备在温度压力室内进行高温高压条件下的节理剪切试验及试验过程的声发射系统、CT扫描研究：CT扫描设备采用螺旋CT扫描仪，螺旋CT扫描仪与岩石三轴压缩试验设备配套且与声发射系统一体化组装，将声发射系统的换能器探头用凡士林紧贴在岩石压缩剪切试样的一个侧面上，使换能器探头与岩石压缩剪切试样侧面达到最佳耦合，即同步采集在剪切载荷作用下变形破坏的声发射信号，由温度压力室提供不同的温度压力条件，由岩石高温三轴压缩试验设备在岩石压缩剪切试样上表面施加均布竖向剪切力F，实现竖向剪切力的伺服加载，随着剪切力的增加，当竖向剪切力在既定的剪切面上产生的剪应力超过岩石压缩剪切试样的抗剪强度值τ时，岩石压缩剪切试样将近似沿着既定的剪切面产生宏观剪切破坏，其抗剪强度τ计算公式为：

式中：F—剪切力：A—剪切面积；

C）含断续节理岩石压缩剪切试样的剪切面在10℃～200℃时的抗剪强度指标内聚力和内摩擦角的测试：

取相同条件的至少5个岩石压缩剪切试样，在温度控制在10℃～200℃时，分别在不同围压σ₃条件下进行压缩试验，至试件破坏时，记录破坏时的荷载F、围压条件σ₃，计算相应的抗剪强度τ，绘制σ～τ曲线，根据摩尔-库仑强度公式，得到该含断续节理的剪切面在10℃～200℃时的抗剪强度指标内聚力和内摩擦角：

2.根据权利要求1所述的高温下含断续节理的岩石压缩剪切试样的制作及试验方法，其特征在于岩石高温三轴压缩试验设备为MTS岩石伺服试验机，螺旋CT扫描仪采用SIEMENSSOMATOM-PLUS螺旋CT扫描仪。