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CN109490119A - 一种岩石材料损伤变量的确定方法 - Google Patents

一种岩石材料损伤变量的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种岩石材料损伤变量的确定方法。该确定方法包括：确定岩石材料在无损状态下的渗透率；确定岩石材料在损伤状态下的渗透率；根据确定的岩石材料在无损状态下的渗透率以及岩石材料在损伤状态下的渗透率确定岩石材料损伤变量。本发明所提供的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其基于岩石材料渗透率定义了损伤变量，渗透率的测量对岩石材料没有任何损伤，对后续研究也没有影响，而且能准确、灵敏地反映岩石材料内部裂隙发育程度较低时的损伤程度，实用性、准确性及灵敏性更高，所获结果更加符合实际。

Description

一种岩石材料损伤变量的确定方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种岩石材料损伤变量的确定方法。
背景技术
作用在岩体工程上、由人类活动或环境引起的荷载，从本质上来说都是随时间变化的循环动态荷载，例如在深部矿山、交通隧道及水利水电工程在施工、服役期间内，岩石除呈受一定自重应力和构造应力等静态荷载外，还会承受因开挖扰动、爆破及地震等因素造成的动态循环荷载。岩石材料在动静耦合的疲劳荷载作用下裂隙不断萌生、扩展并相互贯通，很容易发生损伤，甚至失稳、破坏，造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此，如何定量化的描述疲劳荷载对岩石材料造成的损伤程度，对岩体工程灾害的预防和治理有十分重要的意义。目前，确定岩石材料损伤程度的方法有很多种，其中常见的有基于超声波波速、声发射信号、电磁辐射信号及岩石弹性模量等参数定义的损伤变量。但采用上述参数定义的损伤变量都有一定的局限性。因此，发明一种无损伤、准确度高、灵敏度强的岩石材料损伤变量的确定方法具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种无损伤、准确度高、灵敏度强的岩石材料损伤变量的确定方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种岩石材料损伤变量的确定方法，所述确定方法包括：
确定岩石材料在无损状态下的渗透率；
确定岩石材料在损伤状态下的渗透率；
根据公式1确定基于渗透率的岩石材料损伤变量，所述公式1)为：
所述公式1中：DK为基于渗透率的岩石材料损伤变量，K0为岩石材料在无损状态下的渗透率；为岩石材料损伤状态下的渗透率。
进一步地，确定岩石材料在无损状态下以及损伤状态下的渗透率均通过多场耦合试验系统进行，所述多场耦合试验系统包括围压室、轴向加载活塞、上压头、加载底座、橡胶套、上游压力容器、下游压力容器以及数据采集分析系统，其中：
所述轴向加载活塞沿所述围压室的轴向活动设置在所述围压室的顶部；
所述上压头设置在所述围压室内，且，所述上压头可分离地与所述轴向加载活塞的作用端接触；
所述围压室的底部设置在所述加载底座上；
所述上压头和所述加载底座之间通过所述橡胶套密封连接；
所述上游压力容器设置在所述围压室外部，所述上游压力容器的输出端通过管道和所述上压头连接；
所述下游压力容器设置在所述围压室外部，所述下游压力容器的输出端通过管道和所述加载底座连接；
所述数据采集分析系统均和所述上游压力容器、所述下游压力容器连接。
进一步地，所述确定岩石材料在无损状态下的渗透率具体包括：
将岩石材料放置在所述多场耦合试验系统的上压头和所述加载底座之间的所述橡胶套中所述岩石材料的高度为L，横截面积为A；
向所述围压室内充油，并施加静水压力至所述围压室，使橡胶套内外保持稳定；
从体积为V1的上游压力容器和体积为V2的下游压力容器中，向岩石材料上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统记录的岩石材料上下游压力及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差ΔPi0以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间Δti0；
根据公式2)计算出岩石材料无损状态下的渗透率K0，所述公式2)为：
进一步地，确定岩石材料在损伤状态下的渗透率具体包括：
将岩石材料放置在所述多场耦合试验系统的上压头和所述加载底座之间的所述橡胶套中，所述岩石材料的高度为L，横截面积为A；
向所述围压室内充油，并施加静水压力至围压室，使橡胶套内外保持稳定；
使轴向加载活塞与上压头紧密接触，通过轴向加载活塞对岩石材料进行轴向疲劳加载；
岩石材料发生损伤后，轴向加载活塞停止加载并卸除；
对岩石材料进行疲劳加载后，岩石材料内部损伤裂纹不断萌生、扩展并相互贯通；
从体积为V1的上游压力容器和体积为V2的下游压力容器中，向岩石材料上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统记录的岩石材料上下游压力及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间
根据公式3)计算出岩石材料损伤状态下的渗透率所述公式3)为：
进一步地，所述橡胶套的两端分别通过卡箍和所述上压头以及所述加载底座连接，通过卡箍的开启，方便岩石材料在橡胶套中的放入。
进一步地，所述围压室的顶部和所述加载底座之间通过多个螺杆连接，多个所述螺杆绕所述围压室的中心轴等角度间隔设置，通过螺杆的装载，方便围压室和加载底座的分离，进一步方便岩石材料的放入。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其基于岩石材料渗透率定义了损伤变量，渗透率的测量对岩石材料没有任何损伤，对后续研究也没有影响，并且能准确、灵敏地反映岩石材料内部裂隙发育程度较低时的损伤程度，实用性、准确性及灵敏性更高，所获结果更加符合实际。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的多场耦合试验系统的结构示意图；
图2为岩石材料在无损状态下的渗透率时的多场耦合试验系统的示意图；
图3为多场耦合试验系统对岩石材料进行疲劳加载的示意图；
图4为试验效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种岩石材料损伤变量的确定方法，该确定方法包括：
确定岩石材料在无损状态下的渗透率；
确定岩石材料在损伤状态下的渗透率；
根据公式1)确定基于渗透率的岩石材料损伤变量，公式1)为：
公式1)中：DK为基于渗透率的岩石材料损伤变量，K0为岩石材料在无损状态下的渗透率；为岩石材料损伤状态下的渗透率。
进一步地，本发明实施例中，确定岩石材料在无损状态下以及损伤状态下的渗透率均通过多场耦合试验系统进行。图1为本发明实施例的多场耦合试验系统的结构示意图，参见图 1，该多场耦合试验系统包括围压室2、轴向加载活塞1、上压头11、加载底座6、橡胶套10、上游压力容器5、下游压力容器9以及数据采集分析系统7，其中：
轴向加载活塞1沿围压室2的轴向活动设置在围压室2的顶部；
上压头11设置在围压室2内，且，上压头11可分离地与轴向加载活塞1的作用端接触；
围压室2的底部设置在加载底座6上；
上压头11和加载底座6之间通过橡胶套10密封连接；
上游压力容器5设置在围压室2外部，上游压力容器5的输出端通过管道和上压头11连接；
下游压力容器9设置在围压室2外部，下游压力容器9的输出端通过管道和加载底座6 连接；
数据采集分析系统7均和上游压力容器5、下游压力容器9连接。
在对岩石材料8进行耦合试验时，将岩石材料8放置在橡胶套10后，即可进行。
进一步地，结合图1，本发明实施例的橡胶套10的两端分别通过卡箍4和上压头11以及加载底座6连接，通过卡箍的开启，方便岩石材料在橡胶套中的放入。
进一步地，结合图1，本发明实施例的围压室2的顶部和加载底座6之间通过多个螺杆3 连接，多个螺杆3绕围压室2的中心轴等角度间隔设置，通过螺杆的装载，方便围压室和加载底座的分离，进一步方便岩石材料的放入。
图2为定岩石材料在无损状态下的渗透率时的多场耦合试验系统的示意图，结合图2，本发明实施例中，确定岩石材料在无损状态下的渗透率具体包括：
将岩石材料8放置在多场耦合试验系统的上压头11和加载底座6之间的橡胶套10中，岩石材料8的高度为L，横截面积为A；
向围压室2内充油，并施加静水压力至围压室2，不仅可以使橡胶套10内外保持稳定，还可以使橡胶套10和岩石材料8紧密接触，防止后续试验导致橡胶套10膨胀的现象发生；
从体积为V1的上游压力容器5和体积为V2的下游压力容器9中，向岩石材料8上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统7根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料8上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料8上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统7开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统7记录的岩石材料压力差及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差ΔPi0以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间Δti0；
根据公式2)计算出岩石材料无损状态下的渗透率K0，公式2)为：
图3为多场耦合试验系统对岩石材料进行疲劳加载的示意图，结合图3，本发明实施例中，确定岩石材料在损伤状态下的渗透率和确定岩石材料在无损状态下的渗透率的区别在于需通过加载设备12对轴向加载活塞1加载动力，进而向岩石试样8施加压力，使岩石试样8 损伤，其具体包括：
将岩石材料8放置在多场耦合试验系统的上压头11和加载底座6之间的橡胶套10中，岩石材料8的高度为L，横截面积为A；
向围压室2内充油，并施加静水压力至围压室2，使橡胶套10内外保持稳定；
使轴向加载活塞1与上压头11紧密接触，通过轴向加载活塞1对岩石材料8进行轴向疲劳加载；
岩石材料8发生损伤后，轴向加载活塞1停止加载并卸除；
对岩石材料8进行疲劳加载后，岩石材料8内部损伤裂纹13不断萌生、扩展并相互贯通，形成图1所示的状态；
从体积为V1的上游压力容器5和体积为V2的下游压力容器9中，向岩石材料8上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统7根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料8上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料8上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统7开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统7记录的岩石材料压力差及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间
根据公式3)计算出岩石材料损伤状态下的渗透率公式3)为：
本发明实施例通过将岩石材料在无损状态下的渗透率K0和岩石材料在损伤状态下的渗透率带入公式：即可确定基于渗透率定义的岩石材料损伤变量DK。
本发明实施例所采用的岩石材料均采自一块岩体，均质性较好，测试至少三块未进行疲劳加载试样的渗透率，取平均值试样作为无损状态下的渗透率K0。
表1为通过多场耦合试验系统测试岩石损失状态下的渗透率的加载方案，表2为表1所示的加载方案的试验结果表，图4为试验效果图，由表2及图4得出，损伤变量与疲劳荷载加载次数呈正相关关系，加载次数越多，损伤变量越大。岩石材料在疲劳荷载作用下发生损伤，裂隙不断萌生、扩展并相互贯通，增加了岩石材料渗透能力，导致渗透率逐渐增大。本试验测得的数据缝合岩石材料受疲劳荷载作用后损伤变量的演化规律。
表1
表2
以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (6)

1.一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
确定岩石材料在无损状态下的渗透率；
确定岩石材料在损伤状态下的渗透率；
根据公式1)确定基于渗透率的岩石材料损伤变量，所述公式1)为：
所述公式1)中：DK为基于渗透率的岩石材料损伤变量，K0为岩石材料在无损状态下的渗透率；为岩石材料损伤状态下的渗透率。
2.根据权利要求1所述的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，确定岩石材料在无损状态下以及损伤状态下的渗透率均通过多场耦合试验系统进行，所述多场耦合试验系统包括围压室(2)、轴向加载活塞(1)、上压头(11)、加载底座(6)、橡胶套(10)、上游压力容器(5)、下游压力容器(9)以及数据采集分析系统(7)，其中：
所述轴向加载活塞(1)沿所述围压室(2)的轴向活动设置在所述围压室(2)的顶部；
所述上压头(11)设置在所述围压室(2)内，且，所述上压头(11)可分离地与所述轴向加载活塞(1)的作用端接触；
所述围压室(2)的底部设置在所述加载底座(6)上；
所述上压头(11)和所述加载底座(6)之间通过所述橡胶套(10)密封连接；
所述上游压力容器(5)设置在所述围压室(2)外部，所述上游压力容器(5)的输出端通过管道和所述上压头(11)连接；
所述下游压力容器(9)设置在所述围压室(2)外部，所述下游压力容器(9)的输出端通过管道和所述加载底座(6)连接；
所述数据采集分析系统(7)均和所述上游压力容器(5)、所述下游压力容器(9)连接。
3.根据权利要求2所述的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，所述确定岩石材料在无损状态下的渗透率具体包括：
将岩石材料(8)放置在所述多场耦合试验系统的上压头(11)和所述加载底座(6)之间的所述橡胶套(10)中，所述岩石材料(8)的高度为L，横截面积为A；
向所述围压室(2)内充油，并施加静水压力至所述围压室(2)，使橡胶套(10)内外保持稳定；
从体积为V1的上游压力容器(5)和体积为V2的下游压力容器(9)中，向岩石材料(8)上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统(7)根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料(8)上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料(8)上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统(7)开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统(7)记录的岩石材料上下游压力及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差ΔPi0以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间Δti0；
根据公式2)计算出岩石材料无损状态下的渗透率K0，所述公式2)为：
4.根据权利要求2所述的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，确定岩石材料在损伤状态下的渗透率具体包括：
将岩石材料(8)放置在所述多场耦合试验系统的上压头(11)和所述加载底座(6)之间的所述橡胶套(10)中，所述岩石材料(8)的高度为L，横截面积为A；
向所述围压室(2)内充油，并施加静水压力至围压室(2)，使橡胶套(10)内外保持稳定；
使轴向加载活塞(1)与上压头(11)紧密接触，通过轴向加载活塞(1)对岩石材料(8)进行轴向疲劳加载；
岩石材料(8)发生损伤后，轴向加载活塞(1)停止加载并卸除；
对岩石材料(8)进行疲劳加载后，岩石材料(8)内部损伤裂纹(13)不断萌生、扩展并相互贯通；
从体积为V1的上游压力容器(5)和体积为V2的下游压力容器(9)中，向岩石材料(8)上下游分别注入黏滞系数为μ、压缩系数为β的流体，同时数据采集分析系统(7)根据设定的采集数据点的时间间隔实时记录岩石材料(8)上下游流体压力的变化及时间，直至岩石材料上下游压力趋于稳定，以在岩石材料内部建立均匀的流体压力；
在岩石材料内部建立均匀的流体压力后，将岩石材料(8)上游注入的流体压力提升，下游流体压力保持不变，从而在岩样上下游两端建立初始压力差ΔP0；
数据采集分析系统(7)开始根据设定的采集数据点的时间间隔重新实时记录岩石材料上下游压力的变化及时间，直至上下游压力一致，停止试验；
根据数据采集分析系统(7)记录的岩石材料上下游压力及时间，算出任意采集数据点时刻的岩石材料上下游压力差以及任意采集数据点时刻相距试验开始时刻的时间
根据公式3)计算出岩石材料损伤状态下的渗透率所述公式3)为：
5.根据权利要求2所述的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，所述橡胶套(10)的两端分别通过卡箍(4)和所述上压头(11)以及所述加载底座(6)连接。
6.根据权利要求2所述的一种岩石材料损伤变量的确定方法，其特征在于，所述围压室(2)的顶部和所述加载底座(6)之间通过多个螺杆(3)连接，多个所述螺杆(3)绕所述围压室(2)的中心轴等角度间隔设置。
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