一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法与流程

1.本发明属于岩土工程技术领域，尤其是涉及一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法。


背景技术：

2.随着我国经济建设的蓬勃发展，复杂地质条件下的基础设施建设也不断增多，在建设过程中，由于地应力卸荷、爆破开挖等外界因素影响，将不可避免地对岩石造成损伤，损伤的存在使得岩石内部物质结构、力学行为和工程响应都发生了根本性变化，并将导致岩石强度的降低，岩石中初始裂纹或者节理面的张开，从而提高了岩石的渗透能力，尤其是在流固耦合共同作用下，将进一步扩大损伤效应，为液体或者气体的流动提供了可能，外水内渗、内水或化学物质外渗问题将对其它工程和环境产生严重影响。
3.损伤可以导致岩石物理力学特性出现永久性变化，这些变化可以被定量测试，如波速变化、水渗透性变化、透气性变化、声发射信号等。其中，波速测试以其适用范围广、可判读性高、易于操作、测试精度高等优点，已经成为损伤检测的主要手段。但目前，同其他方法一样，其测试结果也仅限于圈定一个损伤范围，而不能对其内部状态进行定量评价。但是，随着信号技术的发展和声学领域内相关研究的深入，研究人员发现当声波穿越裂纹后，接收到的信号会携带大量的有关裂纹结构构造和力学性质的信息，通过分析这些信息可以方便准确的对损伤岩石的结构状态和稳定性状况作出评价，这也为评价岩石的损伤程度奠定了基础。
4.因此，亟需提供一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法。
6.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
7.一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法，其特征在于：所述流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法基于流固耦合作用下岩石损伤程度测试装置，所述流固耦合作用下岩石损伤程度测试装置包括围压油缸，所述围压油缸内形成压力室，所述压力室中设有套筒，所述套筒内填充岩石样本，所述岩石样本的至少周侧处于压力室内；所述套筒的顶面和底面分别设有顶面容腔和底面容腔，所述顶面容腔和底面容腔内分别设有p波传感器和s波传感器，所述顶面容腔的顶面抵住加压活塞的底面，所述顶面容器的底面抵住套筒的顶面，所述底面容腔的顶面抵住套筒的底面，所述底面容腔的底面抵住围压油缸的底面；所述套筒的外壁周侧设有环向位移传感器，所述围压油缸的外壁周侧设有相对布置的一对轴向位移传感器；所述套筒的顶面设有穿入至岩石样本内的进水/气管，所述套筒的底面设有穿入至岩石样本内的出水/气管；
8.所述流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法包括：将岩石样本加工成100mm
×
50mm，并在岩石样本的顶部和底部预制注水孔/出水孔或者预制注气孔/出气孔，孔径不超过10mm，长度不超过20mm，将岩石样本放入至围压油缸内的压力室中，利用加压活塞和围压油缸对被套筒所包绕的岩石样本施加垂直应力和环向作用力；以环向位移传感器以检测套筒的环向位移变化，以轴向位移传感器来检测套筒的径向位移变化，以p波传感器和s波传感器分别检测p波和s波的传播速度，p波传感器和s波传感器均与套筒紧密接触；对岩石样本进行加压，加压活塞的加载速率为0.1mpa/min，并在加压过程中，缓慢向岩石样本的顶部的孔中注入水或者气，注入速率控制在0.5l/min以内，注入压力控制在1mpa，并同时记录p波和s波的波速变化情况，并根据判断岩石样本的损伤程度。
9.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
10.作为本发明的优选技术方案：所述围压油缸的底部设置在设备底座上。
11.作为本发明的优选技术方案：所述套筒为软质套筒。
12.作为本发明的优选技术方案：所述软质套筒为硅胶套筒。
13.作为本发明的优选技术方案：所述进水/气管上设有进水/气开关。
14.作为本发明的优选技术方案：所述出水/气管上设有出水/气开关。
15.本发明提供一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法，能够实现对岩石在流固耦合作用下损伤程度的定量评价，并且能够实现在有围压条件下的测量，克服了现有测试装置无法实现在有围压条件下安装测试传感器的难题，在测试加压过程中对传感器没有影响，并且通过充分发挥声波本身特性测试岩石的损伤程度，实现了对岩石加载损伤的无损、定量、全过程测试，可以广泛地应用至水电工程、核废料储置工程、储油工程、输水隧洞等工程建设中。
附图说明
16.图1为流固耦合作用下岩石损伤程度测试装置的图示；
17.图中：1-围压油缸；2-压力室；3-软质套筒；4-岩石样本；5-顶面容腔；6-底面容腔；7-p波传感器；8-s波传感器；9-加压活塞；10-环向位移传感器；11-轴向位移传感器；12-进水/气管；13-出水/气管；14-设备底座。
具体实施方式
18.参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
19.一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法基于流固耦合作用下岩石损伤程度测试装置，流固耦合作用下岩石损伤程度测试装置包括围压油缸1，围压油缸1对岩石样本施加环向作用力；围压油缸1内部形成压力室2，压力室2中设有软质套筒3，软质套筒3内填充岩石样本4，软质套筒3完全包裹岩石岩本，岩石样本4的至少周侧处于压力室2内，当然也可以完全没入至压力室2内；软质套筒3的顶面和底面分别设有顶面容腔5和底面容腔6，顶面容腔5和底面容腔6均为实体；顶面容腔5和底面容腔6内分别设有p波传感器7和s波传感器8，且两个p波传感器7中一个为发射传感器，另外一个为接收传感器，两个s波传感器8中也同样一个为发射传感器，另外一个为接收传感器；顶面容腔5的顶面抵住加压活塞9的底面，顶面容器的底面抵住软质套筒3的顶面，底面容腔6的顶面抵住软质套筒3的底面，底面
容腔6的底面抵住围压油缸1的底面；软质套筒3的外壁周侧设有环向位移传感器，围压油缸1的外壁周侧设有相对布置的一对轴向位移传感器11；软质套筒3的顶面设有穿入至岩石样本4内的进水/气管12，软质套筒3的底面设有穿入至岩石样本4内的出水/气管13，且穿入的深度避免破坏岩石样本的结构。围压油缸1的底部设置在设备底座14上。软质套筒3为硅胶套筒。进水/气管12上设有进水/气开关。出水/气管13上设有出水/气开关。
20.按照传播方式的不同是，声波可以分为p波和s波，其中p波质点振动方向与波的传播方向一致，s波质点振动方向与波的传播方向垂直，因此，导致两种波在损伤岩石中的传播速度具有明显的差别。如果裂纹面平行于测试方向(即声波的传播方向)，则该裂纹对p波速度的影响较小，而对s波的速度影响较大，即p波对平行于其传播方向的裂纹不敏感，而s波对平行于传播方向的裂纹比较敏感。
21.由于在试验中对岩石样本进行加载试验时，岩石样本中的裂纹优先在平行于加载方向产生、扩展，因此岩石中声波变化规律对应着轴向应力的一个门槛值，定义为损伤强度。当轴向应力小于损伤强度时，s波随着应力的增加而单调增加；轴向应力大于损伤强度时，s波随着应力的增加呈单调减小。相比之下，p波对岩石样本中裂纹的扩展则不太敏感，与轴向应力保持单调增加的关系，直至轴向应力达到峰值强度时，才会出现明显的下降。
22.通过上面的原理可以看出，如果能够准确测试p波和s波的速度，则可以通过两者的比值反映出岩石的损伤程度d，即
23.流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法包括：将岩石样本加工成100mm
×
50mm，并在岩石样本的顶部和底部预制注水孔/出水孔或者预制注气孔/出气孔，孔径不超过10mm，长度不超过20mm，将岩石样本放入至围压油缸内的压力室中，利用加压活塞和围压油缸对被套筒所包绕的岩石样本施加垂直应力和环向作用力；以环向位移传感器以检测套筒的环向位移变化，以轴向位移传感器来检测套筒的径向位移变化，以p波传感器和s波传感器分别检测p波和s波的传播速度，p波传感器和s波传感器均与套筒紧密接触；对岩石样本进行加压，加压活塞的加载速率为0.1mpa/min(主要以加压活塞进行顶部压力加载，此外，还可以辅助围压油缸进行围压加载，加载速率也为0.1mpa/min)，并在加压过程中，缓慢向岩石样本的顶部的孔中注入水或者气，注入速率控制在0.5l/min以内，注入压力控制在1mpa，并同时记录p波和s波的波速变化情况，并根据判断岩石样本的损伤程度。
24.本发明提供一种流固耦合作用下岩石损伤程度测试方法，能够实现对岩石在流固耦合作用下损伤程度的定量评价，并且能够实现在有围压条件下的测量，克服了现有测试装置无法实现在有围压条件下安装测试传感器的难题，在测试加压过程中对传感器没有影响，并且通过充分发挥声波本身特性测试岩石的损伤程度，实现了对岩石加载损伤的无损、定量、全过程测试，可以广泛地应用至水电工程、核废料储置工程、储油工程、输水隧洞等工程建设中。
25.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。