CN112557135A - 用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，包括完整岩石样品制备；岩样裂缝加工；含裂缝岩样饱水处理；含裂缝岩样密封。应用本方法可以实现在天然岩石上预制裂缝，且裂缝长度、宽度和角度均可控，同时也解决了在多场耦合三轴试验中围压油和高压水击穿预制裂缝处的热缩管导致密封失效的问题，另外，水压可直接作用于岩样内部裂缝，为研究高压水渗流对裂缝扩展的影响提供了技术支持，使得通过试验研究含裂缝岩石在模拟真实地质环境复杂条件热水力多场耦合下的水力力学特性成为可能。

Description

用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法
技术领域
本发明属于岩石模拟试验技术领域，具体涉及一种用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法。
背景技术
地下工程岩体中的节理、裂隙通常是力学薄弱面，在施工扰动下易于扩展破坏，当其中赋存地下水时更加危险，因此，研究含裂缝岩石在多场耦合条件下的水力力学特性以及裂缝的扩展规律对于工程设计施工具有重要意义，然而在能够模拟多场耦合环境的三轴试验中，岩样外部围压油和内部高压渗透液易将预制裂缝处的热缩管击穿，从而破坏密封，为此，现有研究多采用树脂、石膏、水泥砂浆等相似材料预制含内部裂纹的类岩石试样，针对含裂缝的天然岩石的多场耦合三轴试验目前没有，类岩石试样无法综合反映天然岩石的水力、力学特性和损伤破坏规律，并且三轴试验中渗透液压难以直接作用于试样内部裂缝，无法研究渗透液压对裂缝扩展的作用效果。
因此，一种适用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法成为了目前亟待突破的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供了一种适用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，实现在天然岩石试样上预制裂缝，并且允许液压直接作用于该裂缝，同时也实现了多场耦合三轴试验条件下的含裂缝岩样密封。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，包括如下步骤：
步骤1、完整岩石样品制备：
将天然岩石加工成直径50mm，高度100mm的标准圆柱形试样，使其两端面不平行度误差不大于0.05mm，并且端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于0.25°；
步骤2、岩样裂缝加工：
首先采用水射流技术在岩样中部沿径向钻出径向通孔，随后在岩样进水端端面中心竖直向内加工与中部径向通孔相连通的轴向半通孔，基于中部径向通孔，采用线切割技术加工具有倾角、长度和宽度的预制裂缝；
步骤3、含裂缝岩样饱水处理：
测量含裂缝岩样的尺寸和质量后，将含裂缝岩样完全浸入去离子水中，对容器抽真空，直至无气泡逸出为止，但抽气时间不得少于4h，真空抽气完成后静置24小时，使岩样完全饱和；
步骤4、含裂缝岩样密封：
取出饱和岩样并沾去表面水分后，称量岩样饱和质量，在岩样预制裂缝表面涂抹少量快干水泥浆将裂缝填平，待水泥浆凝固后，使其具有适当的强度，防止热缩管在较高围压作用下陷入预制裂缝进而破裂，将凝固后的多余水泥浆打磨平整后，在预制裂缝表面再涂抹一层防水硅胶并待其硬化，防止裂缝内部的渗透压力液通过预制裂缝渗出，随后将含裂缝岩样进水端端面朝下置于渗流下压头上，采用自粘胶对岩样与压头接触位置缠绕密封；依次安装热缩管、密封箍环和渗流上压头，采用电热风机对热缩管加热，使其收缩并与岩样紧密贴合；随后在渗流上、下压头自粘胶所在位置处采用铁丝和密封箍环进行双重密封。
具体的，步骤2中径向通孔与轴向半通孔直径均为1mm，径向通孔长度与岩样直径相等，轴向半通孔长度与岩样高度的二分之一相等，预制裂缝以径向通孔为中心向两侧延伸；其宽度、倾角和长度在不同的岩样上可为不同。
具体的，为尽量防止水射流对试样造成其它损伤，提高含裂缝试样的加工成品率，径向通孔、轴向半通孔和预制裂缝依次加工。
具体的，为防止三轴试验中非饱和岩样吸水影响渗透率的测定，步骤3中需保证岩样饱和。
具体的，步骤4中快干水泥浆为快干水泥粉与水以1:1比例混合而成；宜采用透明热缩管，便于试验后对岩样破坏形态进行拍照，且最高工作温度不低于试验温度；含裂缝岩样和渗流压头之间设置滤网膜，避免岩样破坏产生的岩屑在渗透作用下进入压头堵塞渗流管道；热缩管两端各超出岩样1.5cm，为铁丝和密封箍环提供安装空间，同时将渗流压头和岩样包裹成整体；铁丝和密封箍环组成的双重密封中，铁丝靠近岩样一侧，密封箍环靠近渗流压头一侧。
本发明的有益效果是：
1.本发明能够制备含有裂缝的天然岩石试样，裂缝长度、宽度和倾角可控，且制备过程对岩样损伤很小。
2.本发明解决了天然岩样预制裂缝后在热水力耦合三轴试验条件下的密封问题，其中，对岩样裂缝的密封解决了热水力耦合三轴试验条件下裂缝处热缩管易被液压击穿导致密封失效的难题，允许液压直接作用于裂缝，能够模拟岩样裂缝在液压作用下的扩展过程；进一步通过热缩管对岩样和上、下渗流压头之间的组合密封，防止外部围压硅油渗入和内部高压渗透液渗出。
3.本发明能够有效保证含预制裂缝天然岩石在热水力多场耦合条件下的三轴试验成功率，可以真实反映含裂缝岩石在热水力多场耦合条件下的水力力学特性和变形破坏机制，使研究初始裂缝在热水力耦合条件下的扩展规律成为可能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的含裂缝岩石试样的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的含裂缝岩石试样的密封结构示意图。
图中：1、出水端端面，2、岩样，3、裂缝，4、径向通孔，5、轴向半通孔，6、进水端端面，7、水泥浆，8、热缩管，9、防水硅胶，10、渗流下压头，11、第一滤网膜，12、第一自粘胶，13、渗流上压头，14、第二自粘胶，15、第一密封箍环，16、第二密封箍环，17、第二滤网膜，18、第一铁丝，19、第二铁丝。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，包括如下步骤：
步骤1，完整岩石样品制备：将天然岩石加工成标准圆柱形试样，如附图1所示，使进水端端面6与出水端端面1之间的不平行度误差不大于0.05mm，并且进水端端面6与出水端端面1垂直于试件轴线，最大偏差不大于0.25°。标准圆柱形试样直径为50mm，高度为100mm。
步骤2，岩样裂缝加工：在步骤1制备的标准圆柱形岩样2上加工裂缝3，如附图1所示。
首先采用水射流技术在岩样2中部沿径向钻出径向通孔4，径向通孔4的长度与岩样2直径相同，此处为50mm，径向通孔4的直径为1mm。该径向通孔4作为后续线切割加工裂缝3的起始位置。
随后在岩样2进水端端面6中心竖直向内加工轴向半通孔5，直至与中部径向通孔4相连通，其长度与岩样2高度的二分之一相等，轴向半通孔5的直径为1mm，该轴向半通孔5作为渗透液通道，可使渗透液压直接作用于裂缝3内。
将切割钢丝从中部径向通孔4穿过，采用线切割技术加工具有倾角α、长度b和宽度a的预制裂缝3。预制裂缝3以径向通孔4为中心向两侧延伸，其长度b、宽度a和倾角α均为变量，即不同的岩样上数值不同，预制裂缝宽度a由切割钢丝规格控制，可根据试验需求进行设计。本实施方式选择：预制裂缝宽度a为0.5mm，倾角α为45°，长度b为2cm。
径向通孔4、轴向半通孔5和预制裂缝3应依次加工，以尽量避免水射流对岩样造成其它损伤，提高含裂缝岩石试样的加工成品率。
步骤3，含裂缝岩样饱水处理：测量含裂缝岩样的尺寸和质量后，将含裂缝试样完全浸入去离子水中，对容器抽真空，直至无气泡逸出为止，但抽气时间不得少于4h，真空抽气完成后静置24小时，使岩样完全饱和，以防三轴试验中非饱和岩样继续吸水影响渗透率的测定。
步骤4，含裂缝岩样密封：取出饱和岩样并沾去表面水分后，称量岩样饱和质量，采用如附图2所示方法进行密封。
首先在岩样2预制裂缝表面涂抹少量快干水泥浆7将裂缝填平，待水泥浆7凝固后，使其具有适当的强度，防止热缩管8在较高围压作用下陷入预制裂缝进而破裂。将凝固后的多余水泥浆打磨平整，快干水泥浆为快干水泥粉与水以1:1比例混合而成。
随后在预制裂缝表面再涂抹一层防水硅胶9并待其硬化，以防试验期间裂缝内部的渗透压力液通过预制裂缝渗出。
岩样裂缝密封完成后，将含裂缝岩样2置于渗流下压头10上，含裂缝岩样2和渗流下压头10之间应放置一片第一滤网膜11，避免岩样破坏产生的岩屑在渗透作用下进入渗流压头堵塞渗流管道，采用第一自粘胶12对岩样2与渗流下压头10接触位置缠绕密封，第一自粘胶12为涂胶或胶带。
渗流上压头13与岩样2接触端的侧面也采用第二自粘胶14缠绕，强化后续密封箍环和铁丝的密封效果，第二自粘胶14为涂胶或胶带。
在岩样2外依次套入热缩管8、第一密封箍环15和第二密封箍环16，岩样2上端面依次放置一片第二滤网膜17和渗流上压头13，热缩管8两端各超出岩样2端部1.5cm，为铁丝和密封箍环提供安装空间，同时将渗流压头和岩样2包裹成整体，热缩管8采用透明热缩管，便于试验后对岩样破坏形态进行拍照，且热缩管8的最高工作温度不低于试验温度。
随后采用电热风机对热缩管8加热，使其收缩并与岩样2紧密贴合。
最后在渗流下压头10自粘胶位置处采用第一铁丝18和第一密封箍环15进行双重密封，在渗流上压头13自粘胶位置处采用第二铁丝19和第二密封箍环16进行双重密封，铁丝和密封箍环组成的双重密封中，铁丝靠近岩样一侧，密封箍环靠近渗流压头一侧。
以上的实施方式，并不构成对本发明的保护范围的限定，任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、完整岩石样品制备：
将天然岩石加工成直径50mm，高度100mm的标准圆柱形试样，使其两端面不平行度误差不大于0.05mm，并且端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于0.25°；
步骤二、岩样裂缝加工：
首先采用水射流技术在岩样中部沿径向钻出径向通孔，随后在岩样进水端端面中心竖直向内加工与中部径向通孔相连通的轴向半通孔，基于中部径向通孔，采用线切割技术加工具有倾角、长度和宽度的预制裂缝；
步骤三、含裂缝岩样饱水处理：
测量含裂缝岩样的尺寸和质量后，将含裂缝岩样完全浸入去离子水中，对容器抽真空，直至无气泡逸出为止，抽气时间不少于4小时，真空抽气完成后静置不少于24小时，使岩样完全饱和；
步骤四、含裂缝岩样密封：
取出饱和岩样并沾去表面水分后，称量岩样饱和质量，在岩样预制裂缝表面涂抹少量快干水泥浆将裂缝填平，待水泥浆凝固后，保证适当的强度，防止热缩管在较高围压作用下陷入预制裂缝进而破裂，将凝固后的多余水泥浆打磨平整后，在预制裂缝表面再涂抹防水硅胶并待其硬化，防止裂缝内部的渗透压力液通过预制裂缝渗出；
随后将含裂缝岩样进水端面朝下置于渗流下压头上，采用自粘胶对岩样与压头接触位置缠绕密封；依次安装热缩管、密封箍环和渗流上压头，采用电热风机对热缩管加热，使其收缩并与岩样紧密贴合，随后在渗流上、下压头自粘胶所在位置处采用铁丝和密封箍环进行双重密封。
2.按照权利要求1所述的用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，其特征在于：所述步骤二中径向通孔与轴向半通孔直径均为1mm，径向通孔长度与岩样直径相等，轴向半通孔长度与岩样高度的二分之一相等。
3.按照权利要求1所述的用于多场耦合三轴试验的含裂缝岩石试样制备与密封方法，其特征在于：所述步骤二中预制裂缝以径向通孔为中心向两侧延伸。
4.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤二中径向通孔、轴向半通孔和预制裂缝依次加工。
5.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中热缩管为透明管。
6.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中快干水泥浆为快干水泥粉与水以1:1比例混合而成。
7.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中渗流下压头为进水端，将岩样置于渗流下压头上时进水端端面朝下，使渗流液通过轴向半通孔直接作用于裂缝。
8.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中含裂缝岩样和渗流压头之间设有滤网膜。
9.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中热缩管两端各超出岩样1.5cm，为铁丝和密封箍环提供安装空间，同时将渗流压头和岩样包裹成整体。
10.按照权利要求1所述的含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法，其特征在于：所述步骤四中铁丝和密封箍环组成的双重密封中，铁丝靠近岩样一侧，密封箍环靠近渗流压头一侧。
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