CN109142072A - 一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法 - Google Patents

一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，针对岩石水力劈裂试验难以密封，试验过程难以监测的难题，在试样模具中放置用于预制纺锤形裂隙的钢插件，在模具中浇筑类岩石材料，振捣，养护至初凝，然后拆除模具与钢插件，继续养护至设定龄期，得到含预制纺锤形裂隙的类岩石试样，通过双轴试验机在类岩石试样上施加设定的双轴作用力，在纺锤形裂隙中放置一个与预制裂隙形状、大小相同的高强橡胶水囊，通过高强橡胶管将水囊连接至水压机，使水囊加压后与裂隙表面良好接触，加压至类岩石试样预制裂隙劈裂破坏，纺锤形裂隙可以与高强橡胶水囊变形耦合，在模拟水压作用时，体现裂隙的尖端效应。

Description

一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法
技术领域
本发明涉及类岩石材料水力劈裂特性的试验技术领域，提供一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法。
背景技术
工程岩体在水渗流与应力相互作用下的变形、损伤破坏及稳定性是许多工程学科共同关心的课题。随着地下工程的迅速发展，岩体的水力劈裂问题日益受到工程界和学术界的重视。由于地质构造的复杂和其他诸多因素，岩体中存在着许多不同程度的裂隙。单一裂隙是构成岩体裂隙网络的基本元素，通过对单一裂隙岩体的水力劈裂特性进行研究，对复杂的裂隙网络具有重要的理论指导意义。
目前虽已有学者采用一些立方形、圆柱形等劈裂试件对类岩石材料的水力劈裂问题进行研究，但是基本上都是基于三维立体试验模型进行的，这种方法在进行试验时，需要保证整个试件完全密封才能进行较高的水压试验，一旦有一个面密封不好，则无法进行较高的水压试验，且对于试验过程难以监测。
因此有必要提出一种新的方法，使其能够简化密封过程或无需密封，并且可以清晰观察到裂隙以监测裂隙的扩展过程。
发明内容
本发明针对岩石水力劈裂试验难以密封，试验过程难以监测的难题，提供一种方便快捷的、无需密封的、试验过程可视化的水力劈裂模拟试验方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，包括以下步骤为：
a、在试样模具中放置用于预制纺锤形裂隙的钢插件，在模具中浇筑类岩石材料，对类岩石材料振捣、养护至初凝，然后拆除模具与钢插件，继续养护至设定龄期，得到含预制纺锤形裂隙的类岩石试样；
b、对类岩石试样施加设定的竖向压力和横向压力；
c、在纺锤形裂隙中放置一个与预制的纺锤形裂隙形状、大小相同的高强橡胶水囊，通过高强橡胶管将高强橡胶水囊连接至水压机；
d、经由水压机向高强橡胶水囊施加水压，使高强橡胶水囊加压后与纺锤形裂隙表面良好接触，加水压至类岩石试样中的预制纺锤形裂隙劈裂破坏，并记录纺锤形裂隙劈裂时的水压机压力表读数。
进一步的，在所述的步骤b中是通过双轴压力试验机的竖向压头和横向压头对类岩石试样施加设定的竖向压力和横向压力。
进一步的，所述的竖向压头和横向压头所加载的面为非钢插件所对应的面。
进一步的，所述的用于预制纺锤形裂隙所用的钢插件为用钢材轧制而成的实心立体钢制材料，其截面形状为两个半径相同的圆相交而成。
进一步的，所述的高强橡胶水囊与预制纺锤形裂隙所用的钢插件形状、大小相同，纺锤形裂隙可以与高强橡胶水囊变形耦合，在模拟水压作用同时，体现裂隙的尖端效应，高强橡胶水囊通过高强橡胶管连接至水压机，高强橡胶水囊和高强橡胶管均采用厚度为2mm的高强橡胶。
进一步的，所述的类岩石材料为水泥、沙子和水按设定配比配制而成。
进一步的，所述的一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，试验过程中无需复杂的密封过程以保证水压，同时可以实时监测到纺锤形裂隙的扩展过程，实现过程可视化。
本发明的有益效果：
本发明针对岩石水力劈裂试验难以密封，试验过程难以监测的难题，提供一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，在进行水压试验时，不需要完全密封，仅仅在四个面实施压力即可；本发明方法和其中使用的装置简单，用放置水囊的方法方便快捷，无需复杂的密封过程，所预制的纺锤形裂隙可以与高强橡胶水囊变形耦合，在模拟水压作用时，体现裂隙的尖端效应，能用来研究平面应力状态下类岩石试样的水力劈裂问题，同时可以清晰地监测到裂隙的扩展过程，实现过程可视化，以更好地研究裂隙在水压作用下起裂、发展的机理和规律。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为进行施加双轴压压作用力时的类岩石试样水力劈裂模拟试验的示意图。
图2为带预制裂隙的类岩石试样浇筑示意图。
图3为预制裂隙所用的钢插件示意图。
图中：1-模具，2-钢插件，3-类岩石材料，4-纺锤形裂隙，5-类岩石试样高强橡胶水囊，6-竖向压头，7-横向压头，8-高强橡胶水囊，9-高强橡胶管接口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
术语解释部分:本发明中所述的“高强橡胶水囊、高强橡胶管”中的“高强”是指只要橡胶水囊以及橡胶管的强度可以承受试验所需的最大水压即可。
本发明中所述的“可视化”是指在整个实验过程中纺锤形裂隙所在面无需密封，裂隙扩展过程清晰可见。正如背景技术所介绍的，
由于地质构造的复杂和其他诸多因素，岩体中存在着许多不同程度的裂隙。单一裂隙是构成岩体裂隙网络的基本元素，通过对单一裂隙岩体的水力劈裂特性进行研究，对复杂的裂隙网络具有重要的理论指导意义。目前虽已有学者采用一些立方体、圆柱形等劈裂试件对类岩石材料的水力劈裂问题进行研究，但这些方案为了保证能够达到较高的水压在试样密封时难度较大，且对于试验过程难以监测。
因此有必要提出一种新的方法，使其能够简化密封过程或无需密封，并且可以清晰观察到裂隙以监测裂隙的扩展过程。
在附图中，利用一种可视化水力劈裂模拟试验方法的步骤为：
a、在试样模具1中放置用于预制纺锤形裂隙的钢插件2，；在模具中浇筑类岩石材料3；然后振捣，养护至初凝，再然后拆除模具1与钢插件2，继续养护至设定龄期，得到含预制纺锤形裂隙4的类岩石试样5；
b、通过双轴压力试验机的竖向压头6和横向压头7在类岩石试样5上施加设定的双轴作用力；其中所述的竖向压头和横向压头所加载的面为非钢插件所对应的面，具体的如图1所示，竖向压头和横向压头所加载的面为试样的顶面、底面、左面和右面；而钢插件所对应的面为试样前面和后面；与现有技术中的三维施加压力不同，本申请施加的是二维压力，即题目中所述的“平面”；
c、在纺锤形裂隙4中放置一个与预制的纺锤形裂隙4形状、大小相同的高强橡胶水囊8，通过高强橡胶管将高强橡胶水囊8连接至水压机；
在放置之前，水囊可以是非充水状态，即处于干瘪状态；待水囊安装在纺锤形裂隙中时，再进行充水。具体的如图1所示，在所述的水囊上设有高强橡胶管接口9，用于水囊的充水。
d、经由水压机向高强橡胶水囊8施加水压，使高强橡胶水囊8加压后与纺锤形裂隙4表面良好接触，纺锤形裂隙可以与高强橡胶水囊变形耦合，在模拟水压作用同时，体现裂隙的尖端效应；加压至类岩石试样中的预制纺锤形裂隙4劈裂破坏，并记录纺锤形裂隙4劈裂时的水压机压力表读数。
具体的实施例中，本发明中所述的用模具制作的类岩石试样5的尺寸为150×150×50mm3，也根据实际需要采用其他的尺寸。
具体的实施例中，钢插件的结构如图3所示；所述的预制纺锤形裂隙4所用的钢插件2为用钢材轧制而成的实心立体钢制材料，其截面形状为两个半径相同的圆相交而成，其具体用钢材轧制而成的高度为50mm的实心立体钢制材料，其截面形状为两个半径为25mm的圆相交而成，相交的公共弦长为30mm，相交的两段圆弧间距为10mm。根据实际需要进行调整即可。
所述的高强橡胶水囊8与所提到的预制纺锤形裂隙4所用的钢插件2形状、大小相同，纺锤形裂隙4可以与高强橡胶水囊8变形耦合，在模拟水压作用时，体现裂隙的尖端效应，高强橡胶水囊8通过高强橡胶管连接至水压机，高强橡胶水囊8和高强橡胶管均采用厚度为2mm的高强橡胶。
所述的一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，试验过程中无需复杂的密封过程以保证水压，同时可以清晰地监测到纺锤形裂隙4的扩展过程，实现过程可视化。
试样模具为一个顶部完全敞口的方形模板，如图所示；
所述的类岩石材料1为水泥、沙子和水按设定配比配制而成。
所述各结构的具体尺寸可根据研究需要适当调整。
本发明方法和其中使用的装置简单，用放置水囊的方法方便快捷，能用来研究平面应力状态下类岩石试样的水力劈裂问题，同时可以清晰地监测到裂隙的扩展过程，实现过程可视化，以更好地研究裂隙在水压作用下起裂、发展的机理和规律。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤为：
a、在试样模具中放置用于预制纺锤形裂隙的钢插件，在模具中浇筑类岩石材料，对类岩石材料振捣、养护至初凝，然后拆除模具与钢插件，继续养护至设定龄期，得到含预制纺锤形裂隙的类岩石试样；；
b、对类岩石试样施加设定的竖向压力和横向压力；
c、在纺锤形裂隙中放置一个与预制的纺锤形裂隙形状、大小相同的高强橡胶水囊，通过高强橡胶管将高强橡胶水囊连接至水压机；
d、经由水压机向高强橡胶水囊施加水压，使高强橡胶水囊加压后与纺锤形裂隙表面良好接触，加水压至类岩石试样中的预制纺锤形裂隙劈裂破坏，并记录纺锤形裂隙劈裂时的水压机压力表读数。
2.如权利要求1所述的平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，在所述的步骤b中是通过双轴压力试验机的竖向压头和横向压头对类岩石试样施加设定的竖向压力和横向压力。
3.如权利要求1所述的平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，所述的竖向压头和横向压头所加载的面为非钢插件所对应的面。
4.如权利要求1所述的平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，所述的用于预制纺锤形裂隙所用的钢插件为用钢材轧制而成的实心立体钢制材料，其截面形状为两个半径相同的圆相交而成。
5.如权利要求1所述的平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，所述的纺锤形裂隙与高强橡胶水囊变形耦合，在模拟水压作用同时，体现裂隙的尖端效应。
6.如权利要求1所述的平面可视化水力劈裂模拟试验方法，其特征在于，所述的类岩石材料为水泥、沙子和水按设定配比配制而成。
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