CN109425520A - 一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法 - Google Patents

一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩体渗流试验技术领域，具体涉及一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法。本发明将两块材质相同的岩体上下摞列放置，上位裂隙岩体的下表面和下位裂隙岩体的上表面形成接触面；下位裂隙岩体的上表面设有一圈凹槽，凹槽内放置密封圈；上位裂隙岩体内部上下贯通钻取若干通孔，并且通孔的下端面均包含在下位裂隙岩体密封圈所围住的区域内；水流从上位裂隙岩体的部分通孔流入，在接触面密封圈内部渗流，进而通过上位裂隙岩体的其余通孔流出。本发明无需借助一定体积的空腔包裹，渗透性能测试结果能够准确反映裂隙岩体自身在力学作用下的力学性能，适用于常规的厘米级尺度及米级以上尺度等各种尺度状态下的裂隙岩体渗流密封。

Description

一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法
技术领域
本发明属于岩体渗流试验技术领域，具体涉及一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法。
背景技术
裂隙岩体在不同应力状态下的渗透性能是裂隙介质的基本力学特性试验。裂隙岩体的渗透系数及相关研究属于裂隙介质基本力学特性的研究范畴，其对于裂隙岩体的工程建造条件起着基础性的指导作用。对于岩石类含裂隙的准脆性材料，渗透性能是决定工程岩体长期安全性的重要因素。确保裂隙介质在不同压力组合作用下(法向应力与切向压力)的渗透试验均能达到密封，是准确测试裂隙岩体渗透性能的前提，其对于研究裂隙介质的渗透特性具有至关重要的意义。实现裂隙岩体在试验过程中的密封首当其冲需要解决的问题就是岩石样品的制备，样品的制备方法是约束密封性能的关键。
现有岩体渗流试验的样品制备方法，岩样为圆柱形或立方体形、尺度较小，一般为厘米级别，是将岩体切分为两半，再一一对齐复原，继而将岩体包裹在一定体积的空腔内，从空腔外部对空腔进行密封，间接地保证了裂隙岩体的密封。这种样品制备方法仅仅反映了包裹空腔内部的裂隙岩体在不同力学作用下的渗透性能，并不能反映裂隙岩体自身在力学作用下的力学性能。更重要的是，这种方法具有很大的局限性，其只能在裂隙岩体较小体积下采用，并不适用于米级及以上较大尺度范围内的裂隙岩体密封。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：
现有岩体渗流试验的样品制备方法，所采用的裂隙岩体样品均被包裹在一定的空腔内，仅反映了包裹空腔内部的裂隙岩体在不同力学作用下的渗透性能，并不能反映裂隙岩体自身在力学作用下的力学性能，并且小尺度的裂隙岩体渗透特性不适宜于较大尺度范围内的裂隙岩体渗透特性。
本发明的技术方案如下所述：
一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，包括以下步骤：
将两块材质相同的岩体上下摞列放置，上位裂隙岩体的下表面和下位裂隙岩体的上表面形成接触面；下位裂隙岩体的上表面设有一圈凹槽，凹槽内放置密封圈；上位裂隙岩体内部上下贯通钻取若干通孔，并且通孔的下端面均包含在下位裂隙岩体密封圈所围住的区域内；水流从上位裂隙岩体的部分通孔流入，在接触面密封圈内部渗流，进而通过上位裂隙岩体的其余通孔流出；装载上位裂隙岩体、下位裂隙岩体后，实施上、下压力加载，实现裂隙岩体法向应力-渗流耦合试验。或者，装载上位裂隙岩体、下位裂隙岩体后，实施上、下压力加载与左、右剪切压力加载，实现裂隙岩体法向应力-切向应力-渗流耦合试验。
作为优选方案：密封圈直径尺寸，依据国家“O型密封圈”的制作标准、上位裂隙岩体重量、密封圈材质的弹性模量确定。例如，密封圈圆柱形截面直径尺寸范围为8.4mm。
作为优选方案：密封圈凸起高度的最小值根据密封圈在一定压力作用下的容许回弹量设计；密封圈凸起高度的最大值须保证在剪切作用下，密封圈仍能够固定在凹槽内。
作为优选方案：对密封圈拐角大的部位进行圆滑处理，密封圈拐角圆弧半径优选小于等于1mm。
作为优选方案：所述凹槽，位于下位裂隙岩体上表面的中部位置。
作为优选方案：所述凹槽的宽度，根据密封圈的直径设置；所述凹槽的深度，根据密封圈的直径和密封圈的凸起高度设置。例如，凹槽的宽度为11.5mm，深度为6.9mm。
作为优选方案：上位裂隙岩体、下位裂隙岩体之间的接触面粗糙度范围为0-1.6，凹槽侧面及底面表面的粗糙度范围为0-1.6，光洁度为6度。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，通过下位裂隙岩体上表面的密封圈得以保证水流在试验过程中始终密封在该区域内部，渗透性能测试结果能够准确反映裂隙岩体自身在力学作用下的力学性能；
(2)本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，无需借助一定体积的空腔包裹，适用于常规的厘米级尺度及米级以上尺度等各种尺度状态下的裂隙岩体渗流密封；
(3)本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，能够持续性地测量并获得液体介质表面水压力的参数数据，并有针对性地获得某特定位置液体介质水压力数据；
(4)本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，能够获得同步、异步实施上、下压力加载与左、右剪切压力加载等不同压力组合条件下裂隙岩体的渗透特性参数；
(5)本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，测量步骤便捷，测量结果准确可靠，特别适合于岩石、混凝土类准脆性材料的渗透性能测试。
附图说明
图1为本发明方法的上、下位裂隙岩体布局示意图；
图2为本发明方法的上位裂隙岩体结构示意图；
图3为本发明方法的下位裂隙岩体结构示意图；
图4为本发明方法的密封圈及凹槽的俯视图。
图中，1-上位裂隙岩体，2-下位裂隙岩体，3-通孔，4-通孔下端面，5-凹槽，6-渗流区域，7-密封圈，8-上压力，9-下压力，10-左剪切压力，11-右剪切压力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法进行详细说明。
本实施例中的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，包括以下步骤：
将两块材质相同的岩体上下摞列放置，上位裂隙岩体1的下表面和下位裂隙岩体2的上表面形成接触面。
下位裂隙岩体2的上表面设有一圈凹槽5，凹槽5内放置密封圈7。上位裂隙岩体1内部上下贯通钻取若干通孔3，并且通孔下端面4均包含在下位裂隙岩体2密封圈7所围住的区域内。水流从上位裂隙岩体1的部分通孔3流入，在接触面密封圈7内部渗流，进而通过上位裂隙岩体1的其余通孔3流出。
本实施例中，上、下位裂隙岩体2之间可实现一定距离的相互剪切错动，通过控制剪切路径长度，即在水平面内实现上、下两块岩体在左右方向或者前后方向的错动，实现上位裂隙岩体1、下位裂隙岩体2之间接触面处的水流始终全部处于密封圈7内部。装载上、下位裂隙岩体2后，既可以同步实施上压力8、下压力9加载，实现裂隙岩体法向应力-渗流耦合试验；也可以同步、异步实施上压力8、下压力9加载与左剪切压力10、右剪切压力11加载，实现裂隙岩体法向应力-切向应力-渗流耦合试验。
本实施例中，所述密封圈7可以为圆弧形或其它形状。在密封圈7拐角大的部位进行圆滑处理，使拐角圆弧半径尽可能小，优选密封圈7拐角圆弧半径小于等于1mm。
依据国家“O型密封圈7”的制作标准，并结合上位裂隙岩体1重量以及密封圈7材质的弹性模量，核算压力，得到适宜的密封圈7圆柱形截面直径尺寸。本实施例中，所述密封圈7圆柱形截面的直径范围为为8.4mm。
所述密封圈7具有一定的厚度，其凸出于下位裂隙岩体2上表面的高度称为凸起高度：凸起高度的最小值根据密封圈7在一定压力作用下的容许回弹量设计；凸起高度的最大值须保证在剪切作用下，密封圈7仍能够固定在凹槽5内，防止密封圈7被来回剪切错动达不到密封效果。
位于下位裂隙岩体2上表面的凹槽5，其优选位于下位裂隙岩体2上表面的中部位置；凹槽5的宽度，根据密封圈7的直径设置，本实施例中，凹槽5的宽度为11.5mm；凹槽5的深度，根据密封圈7的直径和密封圈7的凸起高度设置，本实施例中，凹槽5的深度为6.9mm。
表面粗糙特性对密封圈7的密封效果具有决定性作用。本实施例中，上位裂隙岩体1、下位裂隙岩体2之间的接触面粗糙度范围为0-1.6(光洁度为6度)；凹槽5侧面及底面表面的粗糙度范围为0-1.6(光洁度为6度)。

Claims (10)

1.一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将两块材质相同的岩体上下摞列放置，上位裂隙岩体(1)的下表面和下位裂隙岩体(2)的上表面形成接触面；
下位裂隙岩体(2)的上表面设有一圈凹槽(5)，凹槽(5)内放置密封圈(7)；上位裂隙岩体(1)内部上下贯通钻取若干通孔(3)，并且通孔下端面(4)均包含在下位裂隙岩体(2)密封圈(7)所围住的区域内；水流从上位裂隙岩体(1)的部分通孔(3)流入，在接触面密封圈(7)内部渗流，进而通过上位裂隙岩体(1)的其余通孔(3)流出；
装载上位裂隙岩体(1)、下位裂隙岩体(2)后，实施上压力(8)、下压力(9)加载，实现裂隙岩体法向应力-渗流耦合试验。
2.一种大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将两块材质相同的岩体上下摞列放置，上位裂隙岩体(1)的下表面和下位裂隙岩体(2)的上表面形成接触面；
下位裂隙岩体(2)的上表面设有一圈凹槽(5)，凹槽(5)内放置密封圈(7)；上位裂隙岩体(1)内部上下贯通钻取若干通孔(3)，并且通孔下端面(4)均包含在下位裂隙岩体(2)密封圈(7)所围住的区域内；水流从上位裂隙岩体(1)的部分通孔(3)流入，在接触面密封圈(7)内部渗流，进而通过上位裂隙岩体(1)的其余通孔(3)流出；
装载上位裂隙岩体(1)、下位裂隙岩体(2)后，实施上压力(8)、下压力(9)加载与左剪切压力(10)、右剪切压力(11)加载，实现裂隙岩体法向应力-切向应力-渗流耦合试验。
3.根据权利要求1或2所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：密封圈(7)直径尺寸，依据国家“O型密封圈(7)”的制作标准、上位裂隙岩体(1)重量、密封圈(7)材质的弹性模量确定。
4.根据权利要求3所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：密封圈(7)凸起高度的最小值根据密封圈(7)在一定压力作用下的容许回弹量设计；密封圈(7)凸起高度的最大值须保证在剪切作用下，密封圈(7)仍能够固定在凹槽(5)内。
5.根据权利要求1或2所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：对密封圈(7)拐角大的部位进行圆滑处理。
6.根据权利要求5所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：所述密封圈(7)拐角圆弧半径小于等于1mm。
7.根据权利要求1或2所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：所述凹槽(5)，位于下位裂隙岩体(2)上表面的中部位置。
8.根据权利要求4所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：所述凹槽(5)的宽度，根据密封圈(7)的直径设置；所述凹槽(5)的深度，根据密封圈(7)的直径和密封圈(7)的凸起高度设置。
9.根据权利要求7所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：所述密封圈(7)圆柱形截面直径尺寸范围为8.4mm；所述凹槽(5)的宽度为11.5mm；所述凹槽(5)的深度为6.9mm。
10.根据权利要求7所述的大尺度单裂隙岩体应力渗流耦合试验的样品制备方法，其特征在于：上位裂隙岩体(1)、下位裂隙岩体(2)之间的接触面粗糙度范围为0-1.6，凹槽(5)侧面及底面表面的粗糙度范围为0-1.6，光洁度为6度。
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