基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法及系统

文档序号:39919631发布日期:2024-11-08 20:11阅读:26来源:国知局
基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法及系统

本发明涉及隧道工程领域领域,尤其涉及一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法及系统。


背景技术:

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。

2、围岩喷水是地下工程中一种常见的支护方式,通过向围岩喷射水雾,可以降低围岩的温度,减小岩石的干燥应力,提高围岩的稳定性。然而,喷水过程中,由于水的作用,岩石的裂纹特性会发生一定的变化,从而影响围岩的脆性指数。因此,研究围岩喷水对裂纹特征脆性指数的影响具有重要的工程意义。

3、脆性指数是衡量岩石脆性特征的重要参数,它与岩石的物理力学性质、裂纹特征等因素密切相关。在地下工程中,脆性指数的大小直接关系到岩石的稳定性和支护难度。通常情况下,脆性指数越大,岩石的脆性特征越明显,越容易发生脆性破坏。因此,准确地获取岩石的脆性指数对于工程设计和施工具有重要的指导意义。

4、然而,目前关于围岩喷水对裂纹特征脆性指数的影响研究还相对较少,已有研究主要集中在喷水对岩石强度和喷水对裂纹扩展的影响等方面。这些研究虽然取得了一定的成果,但仍然无法全面揭示围岩喷水对裂纹特征脆性指数的影响机制。


技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题,本发明提供一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法及系统,本发明通过模拟地下工程中的喷水条件,对喷水前后的岩石裂纹特征进行观测和分析,从而确定喷水对脆性指数的影响程度。

2、为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

3、本发明的第一个方面提供一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法。

4、一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定方法,包括:

5、选取砂岩试件进行单面吸水,确定吸水率;

6、确定砂岩试件的最大主应力、最小水平应力和垂直应力,进行真三轴加载试验;

7、根据真三轴加载试验的实验结果,得到裂纹起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力;

8、根据裂纹起裂应力与峰值应力的比值,计算第一无因次参数;根据裂纹损伤应力与峰值应力的比值,计算第二无因次参数;

9、根据第一无因次参数和第二无因次参数,计算峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数;

10、对失效砂岩试件进行切割,制备试验后断裂面的薄片,获取薄片的裂纹相关参数;

11、根据裂纹相关参数,计算裂纹数密度和裂纹密度;

12、对裂纹数密度和裂纹密度进行量化,获得峰值应力后脆性指数调整系数;

13、采用x射线衍射对砂岩试件的矿物成分进行分析,得到石英在砂岩的占比,并根据所述占比,得到矿物成分脆性指数调整系数;

14、根据峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数、峰值应力后脆性指数调整系数与矿物成分脆性指数调整系数的乘积,计算基于裂纹特征的脆性指数。

15、进一步地,所述选取砂岩试件进行单面吸水,确定吸水率的过程包括:

16、选取砂岩试件,对砂岩试件进行称重,得到砂岩试件干燥后的重量;

17、对砂岩试件进行不同时间范围的单面吸水;

18、吸水后取出,擦干后再进行称重,得到砂岩试件吸水后的重量;

19、计算砂岩试件吸水后的重量与砂岩试件干燥后的重量之间的差值,根据所述差值与砂岩试件干燥后的重量的比值,计算吸水率。

20、进一步地,所述进行真三轴加载试验的过程包括:

21、加载主应力、水平应力和垂直应力达到预设应力水平;

22、加载到预设应力水平后,保持不变一段时间;

23、将为最大主应力以每秒第一压力间隔卸载至0mpa,保持不变一段时间;

24、将垂直应力以每秒第二压力间隔加载至试件完全失效,在整个过程中利用声发射传感器和高速摄影仪进行全程记录。

25、进一步地,所述裂纹起裂应力和裂纹损伤应力为不同应力应变状态下最大主应力与垂直应力的差值。

26、进一步地,所述峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数采用以下公式计算:

27、

28、其中,bj表示峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数,rci表示第一无因次参数,rcd表示第二无因次参数。

29、进一步地,所述对失效砂岩试件进行切割,制备试验后断裂面的薄片的过程包括:使用环氧树脂固定失效砂岩试件,切割垂直于主断层界面的抛光薄片,对于无宏观剪切带的砂岩试件,在中心平行于轴向应力处制备薄片。

30、进一步地,所述根据裂纹相关参数,计算裂纹数密度和裂纹密度,采用以下公式计算:

31、裂纹数密度为:

32、

33、裂纹在相同大小的情况下具有任意凸形,裂纹密度为:

34、

35、若裂纹为椭圆形,且尺寸变化且长径比小于0.1时,裂纹密度为:

36、

37、式中,a表示裂纹数密度,n表示单位体积裂纹数,a表示裂纹表面积,p表示裂纹周长,b表示裂纹密度,表示裂缝长度的平均值,la表示单位面积裂缝的总长度,m表示裂纹数密度,m表示裂纹长度。

38、进一步地,所述对裂纹数密度和裂纹密度进行量化,获得峰值应力后脆性指数调整系数的过程包括:裂纹数密度和裂纹密度的值越大,调整系数需越大。

39、进一步地,所述石英在砂岩的占比采用以下公式计算:

40、

41、式中,ω表示石英的百分比含量,d表示石英的含量,e表示黏土矿物成分,f表示碳酸盐岩矿物成分。

42、进一步地,矿物成分脆性指数调整系数与石英在砂岩的占比的关系为:石英在砂岩的占比越大,矿物成分脆性指数调整系数越大。

43、本发明的第二个方面提供一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定系统。

44、一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定系统,包括:

45、吸水率确定模块,其被配置为:选取砂岩试件进行单面吸水,确定吸水率;

46、试验模块,其被配置为:确定砂岩试件的最大主应力、最小水平应力和垂直应力,进行真三轴加载试验;

47、第一计算模块,其被配置为:根据真三轴加载试验的实验结果,得到裂纹起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力;

48、第二计算模块,其被配置为:根据裂纹起裂应力与峰值应力的比值,计算第一无因次参数;根据裂纹损伤应力与峰值应力的比值,计算第二无因次参数;

49、第三计算模块,其被配置为:根据第一无因次参数和第二无因次参数,计算峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数;

50、薄片制备模块,其被配置为:对失效砂岩试件进行切割,制备试验后断裂面的薄片,获取薄片的裂纹相关参数;

51、第四计算模块,其被配置为:根据裂纹相关参数,计算裂纹数密度和裂纹密度;

52、量化模块,其被配置为:对裂纹数密度和裂纹密度进行量化,获得峰值应力后脆性指数调整系数;

53、第五计算模块,其被配置为:采用x射线衍射对砂岩试件的矿物成分进行分析,得到石英在砂岩的占比,并根据所述占比,得到矿物成分脆性指数调整系数;

54、第六计算模块,其被配置为:根据峰值前不同吸水水平砂岩的脆性指数、峰值应力后脆性指数调整系数与矿物成分脆性指数调整系数的乘积,计算基于裂纹特征的脆性指数。

55、与现有技术相比,本发明的有益效果是:

56、本发明提供了一种基于裂纹特征对不同含水率砂岩脆性指数确定的方法及系统。采用的具体方案为:选取试件进行单面吸水,并将试件进行不同时间程度的吸水,每组两块试件,以确定吸水率;确定三轴预设应力,并进行真三轴试验加载;得到应力—应变的关系,并利用声发射传感器、高速摄影仪获得裂纹起裂应力(σci)、裂纹损伤应力(σcd)和峰值应力(σp);通过无因次参数(rci)和(rcd),得到不同吸水水平砂岩的峰值应力前的脆性指数(bj);制备试验后断裂面的薄片,并用扫描电镜进行检查这些薄片,根据观察到的裂纹长度、裂纹表面积等得到裂纹数密度和裂纹密度;将裂纹数密度和裂纹密度进行量化,获得峰值应力后的脆性指数调整系数采用x射线衍射对砂岩的矿物成分进行分析,得到石英在砂岩中的占比,并根据占比获得脆性指数的调整系数(ψ);将峰值应力前的脆性指数与调整系数结合,得到基于裂纹特征的脆性指数(bi)。本发明考虑了岩体的组成成分和裂纹起裂应力以及裂纹损伤应力对脆性指数的影响,可从含水率和破坏模式的角度研究水对岩爆的影响及喷淋防止岩爆,具有较强的实用性。

57、本发明通过建立喷水与脆性指数之间的关系模型,可以对喷水过程中的脆性指数变化进行预测和评估。

58、本发明可以有效地解决现有技术中关于围岩喷水对裂纹特征脆性指数影响研究不足的问题,为地下工程的喷水支护设计和施工提供科学依据。同时,本发明还可以为岩石力学、地质工程等领域的研究提供有益的参考。

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