一种测定岩石裂隙张开度的方法与流程

本发明涉及岩石裂隙检测技术领域，具体涉及一种测定岩石裂隙张开度的方法。

背景技术：

在岩石力学领域，岩体被认为是由岩块和裂隙(节理、结构面或不连续面)组成的。相比岩石基质，岩石裂隙的导水能力极强，是岩体主要的渗流通道，岩体中的裂隙对岩石渗透性有很大影响。在压力作用下，裂隙会产生压缩闭合，其张开度减小，从而导致岩石渗透性减小。为了研究压力作用下岩体渗透性的演化过程，往往先要了解裂隙张开度在不同应力下的演化情况，因此，测定不同正应力下岩体裂隙张开度的变化是岩石力学领域中亟需研究和改进的方向。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种测定岩石裂隙张开度的方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种测定岩石裂隙张开度的方法，所述方法包括：

步骤s100、对标准岩石试件进行破坏试验，使所述标准岩石试件的内部形成单一轴向贯穿的裂隙，得到裂隙岩石试件，所述标准岩石试件为圆柱形的岩石；

步骤s200、采用橡皮膜对裂隙岩石试件进行密封套膜，将密封套膜后的裂隙岩石试件放入围压加载装置；

步骤s300、利用围压加载装置对裂隙岩石试件进行静水围压试验，并测定静水围压试验过程中的围压以及裂隙岩石试件的环向变形量，所述静水围压试验包括加载试验和卸载试验；

步骤s400、将静水围压试验过程中测定的围压和环向变形形成对应关系，根据所述对应关系得到岩石裂隙张开度公式；

步骤s500、利用围压加载装置对裂隙岩石试件施加测定围压，采集施加在裂隙岩石试件的测定围压，以及所述测定围压下裂隙岩石试件的环向变形，根据所述岩石裂隙张开度公式得到裂隙岩石试件的张开度，所述测定围压大于第一围压阈值。

进一步，所述对标准岩石试件进行破坏试验，具体为：采用巴西劈裂试验方法或单轴压缩试验方法对标准岩石试件进行破坏试验。

进一步，所述静水围压加载试验为对裂隙岩石试件施加静水压力，将所述静水压力由0逐步增加到裂隙闭合的试验过程；所述静水围压卸载试验为对施加在裂隙岩石试件的静水压力由裂隙闭合的状态逐步降低到0的试验过程。

进一步，所述静水围压加载试验中对裂隙岩石试件施加的最大静水压力大于裂隙闭合所需围压值。

进一步，所述步骤s400包括：

根据所述静水围压试验得到第一对应关系和第二对应关系，所述第一对应关系为加载试验过程中围压和环向变形的对应关系，所述第二对应关系为卸载试验过程中围压和环向变形的对应关系；

将所述第一对应关系形成第一拟合曲线，将所述第二对应关系形成第二拟合曲线，根据所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线得到裂隙的张开度公式。

进一步，所述根据所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线得到裂隙的张开度公式，具体包括：

设在加载试验中，当裂隙岩石试件的围压由0增加到p时，岩石基质的半径由r0变为r，裂隙的张开度由a0减小为a，由岩石基质的压缩引起的环向变形为l^int，由裂隙的压缩引起的环向变形为l^frac，则有：

l＝l^int+l^frac(1)；

其中，l表示围压为p时裂隙岩石试件的环向变形，l和p均为变量；

岩石基质的压缩引起的环向变形为：

l^int＝2π(r0-r)＝c·p(2)；

其中，r0为岩石基质的初始半径，r为当围压为p时岩石基质的半径，r为变量；c为根据所述第二拟合曲线在弹性变形阶段得到的拟合直线段的斜率；

裂隙的压缩引起的环向变形为：

l^frac＝2(a0-a)(3)；

其中，a0为裂隙的初始张开度，a为当围压为p时裂隙的张开度，a为变量；

联合式(1)至式(3)得知：

根据所述第一拟合曲线得到裂隙闭合时施加在裂隙岩石试件的第二围压阈值pm，以及裂隙闭合时所述裂隙岩石试件的环向变形lm，此时裂隙的张开度为0，结合式(4)得到：

将式(5)代入式(4)得到公式：

式(6)即为岩石裂隙张开度公式。

本发明的有益效果是：本发明公开一种测定岩石裂隙张开度的方法，本发明通过静水围压试验得出裂隙岩石的张开度的因素，即围压和环向变形，根据试验数据得出岩石裂隙张开度公式，从而可以利用围压加载装置对相同材质的待测定裂隙岩石施加大于第一围压阈值的测定围压，通过采集的围压和环向变形间接得到待测定裂隙岩石的张开度。本发明提供的技术方案可以测定不同正应力下岩体裂隙的张开度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中裂隙岩石试件在加载试验过程中发生变形的示意图；

图2是本发明实施例中围压和环向变形的变化关系示意图；

图3是本发明实施例中根据静水围压试验过程得到的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，本发明实施例提供一种测定岩石裂隙张开度的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s100、对标准岩石试件进行破坏试验，使所述标准岩石试件的内部形成单一轴向贯穿的裂隙，得到裂隙岩石试件，所述标准岩石试件为圆柱形的岩石；

步骤s200、采用橡皮膜对裂隙岩石试件进行密封套膜，将密封套膜后的裂隙岩石试件放入围压加载装置；

其中，所述围压加载装置可采用mts试验机或gcts试验机。

步骤s300、利用围压加载装置对裂隙岩石试件进行静水围压试验，并测定静水围压试验过程中的围压以及裂隙岩石试件的环向变形量；

其中，所述静水围压试验包括加载试验和卸载试验；

步骤s400、将静水围压试验过程中测定的围压和环向变形形成对应关系，根据所述对应关系得到岩石裂隙张开度公式；

步骤s500、利用围压加载装置对裂隙岩石试件施加测定围压，采集施加在裂隙岩石试件的测定围压，以及所述测定围压下裂隙岩石试件的环向变形，根据所述岩石裂隙张开度公式得到裂隙岩石试件的张开度；

其中，所述测定围压大于第一围压阈值，在测定围压低于第一围压阈值时，所述裂隙岩石试件处于弹性变形阶段。

本实施例中，所述标准岩石试件通过取芯机及磨石机加工得到，所述标准岩石试件能够装入围压加载装置，对加工得到的标准岩石试件进行破坏试验，从而得到裂隙试件。

本发明通过静水围压试验得出裂隙岩石的张开度的因素，即围压和环向变形，根据试验数据得出岩石裂隙张开度公式，从而可以利用围压加载装置对相同材质的待测定裂隙岩石施加大于第一围压阈值的测定围压，通过采集的围压和环向变形间接得到待测定裂隙岩石的张开度。本发明提供的技术方案对于日后岩石力学工程领域测量岩石试件裂隙变形量和张开度提供了一种测量途径，在岩石力学工程领域中，对裂隙的研究，如渗流，仿真模拟，以及裂隙对岩石强度的损伤均可应用该技术方案。

本申请的发明人在试验过程中发现，在测定围压低于第一围压阈值时(本实施例中的第一围压阈值为20mpa)，裂隙实际的张开度要小于由所述岩石裂隙张开度公式计算得到的张开度，本发明提供的实施例中，将测定围压低于第一围压阈值这一阶段称为孔隙压密阶段。

本申请的发明人经研究，发现导致上述现象的根源在于：除了由于岩石基质变形和裂隙压缩闭合导致的环向变形，还有由于岩石基质中微孔隙与微裂隙的压缩闭合导致的环向变形，本实施例中，对测定围压高于第一围压阈值，且测定围压低于第二围压阈值这一阶段，即弹性变形阶段进行曲线拟合。

作为上述技术方案的进一步改进，所述对标准岩石试件进行破坏试验，具体为：采用巴西劈裂试验方法或单轴压缩试验方法对标准岩石试件进行破坏试验。

作为上述技术方案的进一步改进，所述静水围压加载试验为对裂隙岩石试件施加静水压力，将所述静水压力由0逐步增加到裂隙闭合的试验过程；所述静水围压卸载试验为对施加在裂隙岩石试件的静水压力由裂隙闭合的状态逐步降低到0的试验过程。

作为上述技术方案的进一步改进，所述静水围压加载试验中对裂隙岩石试件施加的最大静水压力大于裂隙闭合所需围压值。

作为上述技术方案的进一步改进，对所述标准岩石试件进行破坏试验时，通过控制加载速率的方式调整所述标准岩石试件中裂隙的初始张开度。

试验研究表明，裂隙岩体在围压加载试验过程中，岩石基质的压缩变形是线弹性可恢复的，而裂隙的压缩变形则是塑性不可恢复的。基于此，作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤s400包括：

根据所述静水围压试验得到第一对应关系和第二对应关系，所述第一对应关系为加载试验过程中围压和环向变形的对应关系，所述第二对应关系为卸载试验过程中围压和环向变形的对应关系；

将所述第一对应关系形成第一拟合曲线，将所述第二对应关系形成第二拟合曲线，根据所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线得到裂隙的张开度公式。

作为上述技术方案的进一步改进，所述根据所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线得到裂隙的张开度公式，具体步骤如下所述：

如附图2所示，在加载试验中，当裂隙岩石试件的围压由0增加到p时，裂隙岩石试件的岩石基质产生压缩，岩石基质的半径由r0变为r，裂隙岩石试件的裂隙也会产生压缩，裂隙的张开度由a0减小为a；环向变形l由岩石基质的压缩和裂隙的压缩共同引起的，其中，设由岩石基质的压缩引起的环向变形为l^int，设由裂隙的压缩引起的环向变形为l^frac，则有：

l＝l^int+l^frac(1)；

其中，l表示围压为p时裂隙岩石试件的环向变形，l和p均为变量；

由于岩石基质的压缩为线弹性，则岩石基质的压缩引起的环向变形与围压符合以下线性关系：

l^int＝2π(r0-r)＝c·p(2)；

其中，r0为岩石基质的初始半径，r为当围压为p时岩石基质的半径，r为变量；c为根据所述第二拟合曲线在弹性变形阶段得到的拟合直线段的斜率；

由于裂隙的压缩为塑性，则裂隙的压缩引起的环向变形为：

l^frac＝2(a0-a)(3)；

其中，a0为裂隙的初始张开度，a为当围压为p时裂隙的张开度，a为变量；

联合式(1)至式(3)得知：

根据所述第一拟合曲线得到裂隙闭合时施加在裂隙岩石试件所需的第二围压阈值pm，以及第二围压阈值pm时所述裂隙岩石试件的环向变形lm，此时裂隙被压缩闭合，即裂隙的张开度为0，令a＝0，将第二围压阈值pm和环向变形lm代入式(4)可得：

将式(5)代入式(4)得到岩石裂隙张开度公式：

参考图3，下面结合实例来对本发明做进一步说明：

1)使用取芯机在采集到的岩石内取样，通过切割、打磨等工序得到4个圆柱形的标准岩石试件(直径50mm，高100mm)；

2)选取2个标准岩石试件，通过巴西劈裂法在2个标准岩石试件中产生轴向贯穿的单一裂隙，得到2个裂隙岩石试件，记为裂隙岩石试件1和裂隙岩石试件2,；将另外2个标准岩石试件作为完整试样，记为完整试样1和完整试样2；

3)采用橡皮膜对2个裂隙岩石试件和2个完整试样分别进行密封套膜后放入围压加载装置，本次实例采用gcts高温高压岩石三轴仪作为围压加载装置。

4)本次实例中，以4mpa/min的速率将围压由0mpa加载到60mpa，再以同样的速率将围压由60mpa卸载到0mpa，分别对2个完整试样和2个裂隙岩石试件进行静水围压试验，并在静水围压试验过程中，测量记录围压对应的环向变形，形成8组围压和环向变形的对应关系；

5)将所述对应关系形成围压和环向变形的拟合曲线，共得到8条拟合曲线，分别为：

完整试样1在加载试验过程中的拟合曲线；

完整试样1在卸载试验过程中的拟合曲线；

完整试样2在加载试验过程中的拟合曲线；

完整试样2在卸载试验过程中的拟合曲线；

裂隙岩石试件1在加载试验过程中的拟合曲线；

裂隙岩石试件1在卸载试验过程中的拟合曲线；

裂隙岩石试件2在加载试验过程中的拟合曲线；

裂隙岩石试件2在卸载试验过程中的拟合曲线；

分别对这8条拟合曲线在弹性变形阶段进行线性拟合，得到8条直线段的斜率；本实施例中，线性拟合的方式为：采用excel表将所述对应关系形成围压和环向变形的拟合曲线，共得到8条拟合曲线；接着对拟合曲线进行回归分析，具体地，在得到的excel图形中，通过对拟合曲线添加趋势预测线，在回归分析类型中选取线性，即可得到拟合好的直线段。

根据试验数据可以发现：

裂隙岩石试件在卸载试验过程中直线段的斜率c1＝0.0009mm/mpa；

完整试样在加载试验过程中直线段的斜率c2＝0.0009mm/mpa；

完整试样在卸载试验过程中直线段的斜率c3＝0.0009mm/mpa。

可见，完整试样在加载试验过程中得到的直线段的斜率、完整试样在卸载试验过程中得到的直线段的斜率和裂隙岩石试件在卸载试验过程得到的直线段的斜率三者基本一致，这说明裂隙岩石试件的直线段的斜率可以用来表示岩石基质的压缩导致的变形率。

本实施例采用2个裂隙岩石试件和2个完整试样进行上述实验，得到的实验结果说明本实施例中计算岩石裂隙张开度公式的方法具有可重复性，是可普遍应用的。

6)通过裂隙岩石试件在加载试验过程中的拟合曲线，可以得到任意围压p下的环向变形l；也可以得到裂隙闭合时施加在裂隙岩石试件所需的第二围压阈值pm，以及第二围压阈值pm时所述裂隙岩石试件的环向变形lm，此时裂隙被压缩闭合，即裂隙的张开度为0，推导得出岩石裂隙张开度公式：

7)利用围压加载装置对待测定裂隙岩石施加测定围压，所述测定围压大于第二围压阈值，所述裂隙岩石和所述标准岩石试件具有的相同材质；

采集施加在裂隙岩石的测定围压，以及所述测定围压下待测定裂隙岩石的环向变形，采集施加在裂隙岩石的围压，以及所述裂隙岩石的环向变形，将采集到的测定围压和环向变形代入岩石裂隙张开度公式，根据所述岩石裂隙张开度公式得到岩石裂隙的张开度。

从以上实施例可以看出，采用本发明提供的技术方案，仅需要对一个裂隙岩石试件进行静水围压试验，得到该裂隙岩石试件的围压和环向变形的对应关系后，即可得到该裂隙岩石试件的岩石裂隙张开度公式，从而通过采集施加在裂隙岩石试件的测定围压，以及所述测定围压下裂隙岩石试件的环向变形，根据所述岩石裂隙张开度公式得到裂隙岩石试件的张开度。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。