不规则岩体节理面力学参数测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种不规则岩体节理面力学参数测试方法。该方法包括如下步骤：(1)预制制作标准试件的模具；(2)采用高强混凝土，调制高强水泥砂浆；(3)利用所述高强水泥砂浆进行标准试件的浇筑预制；(4)对步骤(3)得到的标准试件进行养护；所述养护完成后，即可利用所述标准试件进行岩心试件的节理面力学参数的测试。利用本发明方法和高强混凝土对试件进行试验前预制，在模具中心位置设置了裂隙定位孔，可以通过水平观察确保不规则的含裂隙岩体节理正好处于剪切位置，则可将任意形状的含裂隙岩块制成标准形状试件准确开展剪切试验，测试节理面力学参数。
【专利说明】不规则岩体节理面力学参数测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种不规则岩体节理面的剪切试验方法，属于石油工程岩石力学领 域。
【背景技术】
[0002] 岩石是地壳和上地幔主要的组成物质。其对地表的上部建构筑物可充当坚固的承 载地基，也对地下的结构形成稳固的掩体。受岩石产状和地质力学等因素的影响，在地下深 埋的掩体中，存在有大量的岩体节理裂隙系统，其发育特征决定了地下岩体的安全与稳定 性。在石油和天然气工业中的钻井及地下硐室的开挖中，广泛涉及到岩体钻进和岩体开挖 成硐等施工过程。在此过程中，岩体的节理裂隙特性控制了施工的安全稳定性。
[0003] 因此，在岩石相关的地下工程可行性研究及施工方案确定中，必须对地下相关岩 层的岩体力学特性进行准确的判定和分析，尤其是含裂隙岩体的力学特性对工程安全具有 至关重要的控制作用。基于此，在工程勘探过程中，必须钻采地下含节理裂隙的岩体进行岩 石力学试验测试，以确定岩体节理裂隙的力学参数，如节理面的法向刚度、切向刚度、粘聚 力和内摩擦角等。这样才能对地下岩体的安全稳定性做到有效的评价，为工程设计和成功 建造提供可靠的安全保障。
[0004] 目前，广泛采用的岩石节理裂隙参数的测试方法为，利用岩石剪切试验机进行剪 切试验测试。而在试验测试过程中，对岩石试件的形状要求必须为边长100mm、150mm或 200mm的标准立方体试件，而且要求试件目标测试面的法向加载面和切向加载面必须平滑 且平行，否则在加载过程中会出现偏压或应力集中现象，导致测试结果不准确或失败。
[0005] 而采用钻井勘探技术对岩体进行钻探取芯的过程中，只能根据钻井方向来钻取地 下节理面走向各异的含节理裂隙岩体，且受取芯钻头尺寸的控制，使得获得的岩样，尺寸较 小，裂隙面与岩心的轴向呈不同的角度分布，则无法预制成理想的标准岩块开展裂隙参数 测试的剪切试验。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种不规则岩体节理面的剪切试验方法，利用本发明方法能 够将小尺寸、不规则岩心试样预制成能够顺利开展剪切试验并准确测得岩石节理面力学参 数的标准试件。
[0007] 本发明所提供的不规则岩体节理面力学参数测试方法，包括如下步骤：
[0008] (1)制作预制标准试件的模具，所述模具的结构如下：
[0009] 所述模具包括一底板、两个侧壁板和两个侧挡板；
[0010] 两个所述侧壁板分别固定于所述底板的相对设置的端部；每个所述侧壁板的内壁 上设有两个平行设置的凹槽，所述凹槽沿所述侧壁板的坚直方向从其顶部延伸至其底部；
[0011] 每个所述侧挡板通过嵌入两个所述侧壁上相应位置处的两个所述凹槽内，固定于 所述底板上，且所述侧挡板垂直于所述侧壁板；
[0012] 所述侧壁板上于所述凹槽与其边缘之间设有通孔，两个所述侧壁板上相应位置处 的两个所述通孔之间连接一螺栓，且所述螺栓从所述侧壁板延伸出；所述螺栓的两端部通 过螺母固定；
[0013] 所述侧壁板上设有观察孔，所述观察孔设于两个所述侧挡板之间；
[0014] (2)采用高强混凝土，根据水泥和粉细砂颗粒级配确定标准配合比，调制高强水 泥砂浆，并对每组水泥砂浆进行标准试件预制；通过对养护标准时间的三轴强度试件测试 (时间计划根据试验进度进行安排，最少7天，28天最佳，否则需按照养护时间长短进行折 算）确定高强混凝土的强度指标；
[0015] (3)利用所述高强水泥砂浆进行标准试件的浇筑预制，包括如下步骤：在所述模 具内灌注所述高强水泥砂浆作为底层打底砂浆；然后将待测试的含有节理裂缝的岩心试件 放置于所述底层打底砂浆内，并使所述节理裂缝悬露于所述底层打底砂浆外1?2_;在所 述岩心试件与所述模具之间的空隙内填充泡沫；继续浇筑上层覆盖砂浆层；
[0016] (4)对步骤⑶得到的标准试件进行养护；所述养护完成后，即可利用所述标准试 件进行岩心试件节理面力学参数的测试。
[0017] 上述的剪切试验方法中，所述高强混凝土为C40混凝土至C60混凝土中任一种，并 确定其强度指标。
[0018] 上述的剪切试验方法中，所述标准试件可为中间含节理裂隙面的立方体剪切试验 标准试件。
[0019] 上述的剪切试验方法中，步骤（4)中，所述养护的条件为与三轴压缩试验的圆柱 体标准试件的同等环境（养护时间、环境温度和湿度基本一致）。
[0020] 通过上述剪切试验方法，得到岩石节理面的强度。得到原始试验数据后，利用标准 试件试验测得的水泥砂浆力学参数对数据进行修正（修正公式如下），值Q为最终确定的节 理面裂隙力学参数。
【权利要求】
1. 不规则岩体节理面力学参数测试方法，包括如下步骤： (1) 预制制作标准试件的模具，所述模具的结构如下： 所述模具包括一底板、两个侧壁板和两个侧挡板； 两个所述侧壁板分别固定于所述底板的相对设置的端部；每个所述侧壁板的内壁上设 有两个平行设置的凹槽，所述凹槽沿所述侧壁板的坚直方向从其顶部延伸至其底部； 每个所述侧挡板通过嵌入两个所述侧壁上相应位置处的两个所述凹槽内，固定于所述 底板上，且所述侧挡板垂直于所述侧壁板； 所述侧壁板上于所述凹槽与其边缘之间设有通孔，两个所述侧壁板上相应位置处的两 个所述通孔之间连接一螺栓，且所述螺栓从所述侧壁板延伸出；所述螺栓的两端部通过螺 母固定； 所述侧壁板上设有观察孔，所述观察孔设于两个所述侧挡板之间； (2) 采用高强混凝土，调制高强水泥砂浆； (3) 利用所述高强水泥砂浆进行标准试件的浇筑预制，包括如下步骤：在所述模具内 灌注所述高强水泥砂浆作为底层打底砂浆；然后将待测试的含有节理裂缝的岩心试件放置 于所述底层打底砂浆内，并使所述节理裂缝悬露于所述底层打底砂浆外1?2mm ;在所述岩 心试件与所述模具之间的空隙内填充泡沫；继续浇筑上层覆盖砂浆层； (4) 对步骤（3)得到的标准试件进行养护；所述养护完成后，即可利用所述标准试件进 行岩心试件的节理面力学参数的测试。
2. 根据权利要求1所述的剪切试验方法，其特征在于：所述高强混凝土为C40混凝土 至C60混凝土中任一种。
3. 根据权利要求1或2所述的剪切试验方法，其特征在于：所述标准试件为含中间节 理裂隙面的立方体剪切标准试件。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述侧壁板的外壁 与所述底板的端部的边缘位于一条直线上。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述螺栓上套设有 一弹簧，所述弹簧的自由长度大于两个所述侧壁板之间的垂直间距。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述侧挡板与所述 底板之间的间隙不超过〇. 01mm ; 所述凹槽的深度为1?3mm ; 所述通孔设于所述凹槽与所述侧壁板的边缘之间的中部； 所述通孔为螺孔； 所述通孔与所述螺栓之间的配合方式为间隙配合或过盈配合。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述螺栓的长度比 两个所述侧壁板的外壁之间的间距大至少20mm。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述螺栓上设有标 尺； 所述标尺的刻度精度为〇? 1?〇? 5mm。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的剪切试验方法，其特征在于：所述观察孔为条形 通孔； 所述观察孔的长度为一个所述侧壁板上的两个所述凹槽之间的横向间距的1/3,其高 度为3?10_。
【文档编号】G01N1/28GK104458444SQ201410696913
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】段品佳, 张超, 单彤文, 屈长龙, 陈锐莹, 李牧 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油气电集团有限责任公司