一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ渫ㄟ^將不同厚度、不同大小以及不同數(shù)量的裂隙碎片隨機(jī)摻入到連續(xù)介質(zhì)體模型材料中，以制備出能夠有效模擬巖體裂隙、節(jié)理等天然結(jié)構(gòu)特征，以及非均質(zhì)特性的巖體隨機(jī)結(jié)構(gòu)特征分布和復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的非均質(zhì)特性的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此進(jìn)行隨機(jī)裂隙巖體的模擬試驗(yàn)。本發(fā)明模型制備過程簡單、操作簡便，相對于現(xiàn)有技術(shù)，其制備出的巖體模型與工程巖體更接近，試驗(yàn)結(jié)果與巖體真實(shí)情況更加貼合。本發(fā)明的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，可適用于大型相似模擬試驗(yàn)，尤其是涉及到相似模擬礦壓觀測、非均質(zhì)巖層流固耦合模擬實(shí)驗(yàn)、破碎煤巖體開挖模擬試驗(yàn)等對巖層有結(jié)構(gòu)要求等的模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽洹?br> 【專利說明】一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖體力學(xué)性能測試試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，尤其涉及一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ瑢儆诖笮偷叵鹿こ棠M試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石作為一種具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)材料，在外力作用下，巖石內(nèi)部微缺陷的成核、擴(kuò)展及相互之間的作用決定了巖石的宏觀變形、破壞特性。盡管學(xué)者在研究巖石破裂方面取得了諸多有益的成果。但這些研究一直是在均勻介質(zhì)假設(shè)前提上進(jìn)行的，很少涉及到巖石自身非均質(zhì)性引起的巖石破壞。由于構(gòu)造應(yīng)力場的長期作用，巖石不是均質(zhì)的，而是由許許多多的滑動面、裂紋、節(jié)理、弱面、夾層以及斷層等組成的非均質(zhì)各向異性和非連續(xù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，非連續(xù)面的力學(xué)特性常常決定整個(gè)巖體的力學(xué)特性。隨機(jī)裂隙巖體的失穩(wěn)和破壞最終都是通過巖體內(nèi)部這些不連續(xù)面的張開、閉合和擴(kuò)展而產(chǎn)生的貫通滑移面所引起的。通過把巖體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)特征和賦存環(huán)境，以及巖體的工程作用力學(xué)模型統(tǒng)一到室內(nèi)的模擬試驗(yàn)中去，模擬巖體的變形、破壞過程和機(jī)理，成為了研究節(jié)理裂隙巖體的一種行之有效的方法。隨著室內(nèi)相似物理模擬試驗(yàn)平臺的研發(fā)，重現(xiàn)采動巖體變形、移動、破壞等一系列的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，使得地下工程問題可以此作為一種重要手段來進(jìn)行研究，達(dá)到真正的“仿真”目的。
[0003]針對目前相似物理模擬試驗(yàn)中，對于有確定產(chǎn)狀和連通率的節(jié)理巖體，可在原型與模型間，將節(jié)理裂隙的頻度、連通率以及他們之間的間距等按照相似條件可以實(shí)現(xiàn)，但對于隨機(jī)節(jié)理巖體而言，節(jié)理、裂隙在巖體中的空間位置、產(chǎn)狀和尺寸都是隨機(jī)的，而傳統(tǒng)采用的堆砌、鑲嵌的方式比較困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，制作模型效果差。如何在把巖體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)特征和賦存環(huán)境，以及巖體的工程作用力學(xué)模型統(tǒng)一到室內(nèi)的模擬試驗(yàn)中去，如何在模擬材料中將裂隙隨機(jī)分布在模型中去，這是相似模擬試驗(yàn)的難點(diǎn)及重點(diǎn)所在，也是能否借助室內(nèi)模擬真實(shí)再現(xiàn)天然裂隙巖體非均質(zhì)特性的成功關(guān)鍵所在。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的隨機(jī)裂隙模擬實(shí)驗(yàn)試樣模型的制備方法，通過采用的堆砌、鑲嵌的方式插入裂隙碎片等方式，制備單裂隙、雙裂隙試樣模型。其存在試樣模型制作精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，裂隙空間分布和產(chǎn)狀分布不能保證隨機(jī)性等系列問題，特別是，試樣在凝結(jié)固化過程中需要將裂紋片及時(shí)抽出，因而不可避免地造成時(shí)試樣模型的破壞，無法獲取能夠真實(shí)反映出所需模擬的工程巖體的試樣模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是，提供一種操作簡便、具有良好的非均質(zhì)特性的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ā?br> [0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的需要解決的技術(shù)問題是，如何將裂隙模擬材料即不同厚度、不同大小以及不同數(shù)量的裂隙碎片隨機(jī)摻入到連續(xù)介質(zhì)體模型材料中，以此來模擬隨機(jī)裂隙巖體的試驗(yàn)，制作出能夠有效模擬巖體裂隙、節(jié)理等天然結(jié)構(gòu)特征以及巖體所賦存的非均質(zhì)特性的巖體隨機(jī)結(jié)構(gòu)特征分布以及巖體所賦存的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的具有良好的非均質(zhì)特性的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募夹g(shù)問題。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，其特征在于，包括如下步驟:
[0008]a.在工程巖體分區(qū)基礎(chǔ)上，對分區(qū)巖體內(nèi)的裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何信息結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場取出巖樣并測試出巖樣彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度，以及單位體積所含的裂隙數(shù)目；
[0009]b.根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的地質(zhì)情況，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票萉、容重相似比CY、強(qiáng)度相似比CfQXCY、彈性模量相似比CpQXCy，并以此確定模型的具體尺寸、骨料、膠結(jié)材料的原料及配比；
[0010]c.將裂隙薄片剪成任意形狀的碎片，按照工程巖體中統(tǒng)計(jì)出來的裂隙數(shù)量及體積百分比確定出模型制作原料中所需加入的裂隙碎片的加入量；
[0011]將骨料和膠結(jié)材料組成的混合料加水在攪拌筒內(nèi)攪拌均勻，備用；
[0012]然后將骨料、膠結(jié)材料和裂隙碎片組成的混合料加水在攪拌筒內(nèi)攪拌均勻，備用；
[0013]d.在相似模擬平臺剛性模具的底壁預(yù)先鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料后，依次將攪拌均勻的含有裂隙碎片的混合料倒入相似模擬平臺剛性模具中，進(jìn)行試樣的逐層鋪設(shè)；
[0014]每鋪設(shè)一層試樣，先用平鏟將混合料鋪平，再利用平臺自帶的三向加壓系統(tǒng)壓實(shí)；
[0015]其中，在試樣的最上層鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料；
[0016]在試樣與相似模擬平臺剛性模具各壁面的接觸處，均鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料；
[0017]e.脫模取出試樣，置于通風(fēng)、陰涼、干燥處一周左右，進(jìn)行自然風(fēng)干即成。
[0018]上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，采用不同數(shù)量的裂隙碎片來模擬巖體中節(jié)理、裂隙的密度大小，且將裂隙碎片隨機(jī)混合在模型混合料中，無需抽出，保證了裂隙碎片在模型巖層中的空間分布和產(chǎn)狀分布是隨機(jī)的。解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的試樣模型制作精度要求高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，裂隙空間分布和產(chǎn)狀分布不能保證隨機(jī)性等系列問題，特別是，試樣在凝結(jié)固化過程中不需要將裂紋片及時(shí)抽出，實(shí)現(xiàn)了試樣模型的一次成型，所得到的試樣模型能夠較好地符合所需模擬的工程巖體的真實(shí)情況。
[0019]上述隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ渲苽浜唵?、操作簡便?br> [0020]上述隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ鋷r體中裂隙數(shù)目是依據(jù)在工程巖體中統(tǒng)計(jì)結(jié)果后，根據(jù)模型體積的大小后，依據(jù)體積百分比換算出模型中裂隙的數(shù)目，不同裂隙數(shù)目對同一配比下的模型強(qiáng)度有著較大區(qū)別。這種方法制備的巖體模型與工程巖體更接近，試驗(yàn)結(jié)果與巖體真實(shí)情況更加貼合。
[0021]上述隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ苽涑龅脑嚇幽Ｐ偷母魍獗砻嫖瓷婕暗窖芯繀^(qū)域的巖層均鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料，從而消除了裂隙在模型上下邊緣及周邊分布對試驗(yàn)過程中可能帶來的干擾和影響，這進(jìn)一步提高了試樣模型的“仿真性”；
[0022]上述隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ǎ淅媚M實(shí)驗(yàn)平臺液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲簩?shí)，可以達(dá)到固結(jié)成型和補(bǔ)償加載的目的，因而制備方法簡單、操作簡便；[0023]并且上述隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，對于大型相似模擬試驗(yàn)，尤其是涉及到相似模擬礦壓觀測、非均質(zhì)巖層流固耦合模擬實(shí)驗(yàn)、破碎煤巖體開挖模擬試驗(yàn)等對巖層有結(jié)構(gòu)要求的模擬均可適用。
[0024]作為優(yōu)選，上述骨料為重結(jié)晶粉和鐵粉；所述膠結(jié)材料為石膏。
[0025]進(jìn)一步優(yōu)選，上述裂隙碎片為云母片或聚四氟乙烯薄片，裂隙碎片的長度和寬度為 0.厚度為 0.1-0.7mm。[0026]上述優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，一方面，是由于云母片、聚四氟乙烯薄片的不粘結(jié)、不透水、表面光滑摩擦系數(shù)低能夠更為接近工程巖體裂隙的特性；另一方面，原料來源廣泛，易于獲取。
[0027]綜上所述，本發(fā)明的一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，具有以下有益效?
[0028]采用不同大小的裂隙碎片來模擬巖體中節(jié)理、裂隙的存在，且將裂隙碎片隨機(jī)混合在模型混合料中，試樣在凝結(jié)固化過程中和模型制備完成后不需要將裂紋片抽出，其制備方法簡單、操作簡便，且制備原料來源廣泛，易于獲取，實(shí)現(xiàn)了試樣模型的一次成型，所得到的試樣模型能夠較好地符合所需模擬的工程巖體的真實(shí)情況。
[0029]這一方面，保證了裂隙碎片在模型巖層中的空間分布和產(chǎn)狀分布是隨機(jī)的；
[0030]另一方面，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的試樣模型制作精度要求高、模型制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，裂隙空間分布和產(chǎn)狀分布不能保證隨機(jī)性等系列問題。
[0031]本發(fā)明利用模擬實(shí)驗(yàn)平臺液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲簩?shí)，可以達(dá)到固結(jié)成型和補(bǔ)償加載的目的；
[0032]本發(fā)明由于其巖體中裂隙數(shù)目是依據(jù)在工程巖體中統(tǒng)計(jì)結(jié)果后，根據(jù)模型體積的大小后，依據(jù)體積百分比換算出模型中裂隙的數(shù)目，不同裂隙數(shù)目對同一配比下的模型強(qiáng)度有著較大區(qū)別。這種方法制備的巖體模型與工程巖體更接近，試驗(yàn)結(jié)果與巖體真實(shí)情況更加貼合；
[0033]本發(fā)明制備出的試樣模型的各外表面未涉及到研究區(qū)域的巖層均鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料，從而消除了裂隙在模型上下邊緣及周邊分布對試驗(yàn)過程中可能帶來的干擾和影響，這進(jìn)一步提高了試樣模型的“仿真性”；
[0034]本發(fā)明的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，對于大型相似模擬試驗(yàn)，尤其是涉及到相似模擬礦壓觀測、非均質(zhì)巖層流固耦合模擬實(shí)驗(yàn)、破碎煤巖體開挖模擬試驗(yàn)等對巖層有結(jié)構(gòu)要求等的模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱骶蛇m用。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ㄟM(jìn)行詳細(xì)說明。
[0036]本發(fā)明實(shí)施例的工程巖體取至濟(jì)北礦區(qū)深部礦井。
[0037]現(xiàn)場取巖，對該巖樣內(nèi)的裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何信息結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，沿鉆孔、測線方向測得裂隙數(shù)目，換算成體積內(nèi)含有裂隙數(shù)目，截取試樣的尺寸為250mmX 250mmX 250mm，測定該試件內(nèi)的裂隙數(shù)目為0.08，試樣容重為27KN.m-3，彈性模量為27GPa，抗壓強(qiáng)度為54MPa，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦相似比Cf可取為1。以含不同數(shù)量裂隙的模型進(jìn)行試驗(yàn)分析如下:
[0038]實(shí)施例1[0039]實(shí)驗(yàn)方法如下:
[0040]取幾何相似比Q為6，即模型尺寸為1.5mX 1.5mX 1.5m，按照模型體積比，計(jì)算出試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辛严稊?shù)目約為18，采用的裂隙碎片厚度約為0.1mm，尺寸小于5mm，形狀近似矩形；容重相似比CY取為1.5，則彈性模量相似比CfQXCfQ
[0041]按照強(qiáng)度相似KCfCfQXCfg，計(jì)算出相應(yīng)配比下的模型的容重、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量值，根據(jù)計(jì)算出的模型強(qiáng)度值選用不同的材料配比。
[0042]骨料選用重結(jié)晶粉和鐵粉，膠結(jié)材料為石膏，配比及其力學(xué)參數(shù)如下表:
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，其特征在于，包括如下步驟:a.在工程巖體分區(qū)基礎(chǔ)上，對分區(qū)巖體內(nèi)的裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何信息結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場取出巖樣并測試出巖樣彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度，以及單位體積所含的裂隙數(shù)目；b.根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的地質(zhì)情況，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票萉、容重相似比CY、強(qiáng)度相似比彈性模量相似比CpQXCy，并以此確定模型的具體尺寸、骨料、膠結(jié)材料的原料及配比；c.將裂隙薄片剪成任意形狀的碎片，按照工程巖體中統(tǒng)計(jì)出來的裂隙數(shù)量及體積百分比確定出模型制作原料中所需加入的裂隙碎片的加入量；將骨料和膠結(jié)材料組成的混合料加水在攪拌筒內(nèi)攪拌均勻，備用；然后將骨料、膠結(jié)材料和裂隙碎片組成的混合料加水在攪拌筒內(nèi)攪拌均勻，備用；d.在相似模擬平臺剛性模具的底壁預(yù)先鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料后，依次將攪拌均勻的含有裂隙碎片的混合料倒入相似模擬平臺剛性模具中，進(jìn)行試樣的逐層鋪設(shè)；每鋪設(shè)一層試樣，先用平鏟將混合料鋪平，再利用平臺自帶的三向加壓系統(tǒng)壓實(shí)；其中，在試樣的最上層鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料；在試樣與相似模擬平臺剛性模具各壁面的接觸處，均鋪設(shè)不含有裂隙薄片的混合料；e.脫模取出試樣，置于通風(fēng)、陰涼、干燥處一周左右，進(jìn)行自然風(fēng)干即成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，其特征在于，所述骨料為重結(jié)晶粉和鐵粉；所述膠結(jié)材料為石膏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒?，其特征在于，所述裂隙碎片為云母片或聚四氟乙烯薄片；所述裂隙碎片的長度和寬度為0.2-lmm，厚度為.0.1-0.7mm。
【文檔編號】G01N1/28GK103674658SQ201310721631
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】高東川, 馬志濤, 高東忍, 李瑞瑞, 張?jiān)圃? 張孝強(qiáng), 劉慧潔, 郭峰, 陳宗泰, 馮宜語 申請人:山東科技大學(xué)