[发明专利]一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法，特别涉及一种基于3D打印技术，通过室内模型试验确定裂隙岩体表征单元体积的方法，适用于不同类型含有复杂裂隙岩体REV的确定，属于岩土工程技术领域。

背景技术

自然岩体普遍存在着裂隙、节理、裙皱、断层等结构面，使得岩体的力学性质十分复杂，由于岩体的结构面对岩体的力学性质起着决定性的作用，因此岩体存在着尺寸效应，即随着岩体体积的变化，岩体的力学参数(强度、弹性模型、摩擦角、粘聚力和渗透系数等)会产生相应变化，但当岩体体积超过一定值时，岩体的力学参数基本保持稳定，不再随体积变化而变化，这个值称为岩体的REV(表征单元体积)，即保持岩体的力学参数基本稳定时的岩体最小体积。

目前在岩石力学领域的研究中，岩体的力学模型主要采用等效连续介质模型和离散介质模型。在实际问题分析中，如果所研究岩体的REV存在，则可以将岩体视为等效连续介质，釆用等效介质模型进行计算；反之，如果岩体的REV不存在或者体积非常大，则说明岩体中裂隙离散程度较高，不适合采用等效连续介质模型，需要采用离散介质模型进行分析，因此，岩体REV是选取岩体力学介质类型、确定分析模型的基础，对确定岩体的力学参数至关重要，是岩石力学领域基本科学问题之一。由于裂隙岩体的REV一般较大，由于受现场条件、试验设备及试验费用的限制，在现场进行原位试验测量裂隙岩体的REV是十分困难甚至是不可能的，因此目前学者多采用解析法和数值模型的方法确定裂隙岩体的REV：

(1)文献“李亚军，姚军，黄朝琴，等.裂缝性油藏等效渗透率张量计算及表征单元体积研究[J].水动力学研究与进展A辑，2010，1:004.”利用等效渗透张量来确定岩体表征单元体积。

(2)文献“周创兵，於三大.论岩体表征单元体积REV—岩体力学参数取值的一个基本问题[J].工程地质学报，1999，7(4):332-336.”利用数学推导的方法体出了计算简单裂隙岩体单元体积的公式。

(3)文献“吴顺川，高艳华，高永涛，等.等效节理岩体表征单元体研究[J].中国矿业大学学报，2014，6:025.”采用有限元数值模拟方法确定岩体的REV。

(4)文献“宁宇，徐卫亚，郑文棠，等.柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(6):1202-1208.”采用数值试验的方法确定岩体的REV。

(5)公开号为103197042A的中国发明专利“一种节理岩体表征单元体积的取值方法”采用数值试验的方法确定岩体的REV。

但是与通过试验确定裂隙岩体REV的方法相比，由解析法和数值模拟的方法确定裂隙岩体的REV难免会采用很多简化的假设，所得出的岩体模型与实际裂隙岩体出入较大，不能充分考虑实际现场裂隙岩体的特征，所计算出的裂隙岩体REV与实际裂隙岩体的REV差异较大，因此迫切需要一种比较有效的确定裂隙岩体REV的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法，通过本方法能够精确确定不同类型含有复杂裂隙岩体的表征单元体积。

技术方案：

本发明涉及一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法，包括如下步骤：

(1)选取任意体积的实际裂隙岩体，绘制其三维数字模型；

(2)旋转该三维数字模型，使其与水平方向成不同倾角，通过3D打印制得该实际裂隙岩体不同倾角的相似材料；

(3)测定不同倾角相似材料的渗透率K_a，建立坐标轴，以不同倾角方向的值为点到原点的距离，做出一个封闭曲线；

(4)根据该封闭曲线与椭圆的近似度，定量分析裂隙岩体不同方向的渗透系数是否符合渗透张量的规律；

(5)基于渗透张量性质，根据定量分析结果，扩大或缩小选取的实际裂隙岩体的体积，重复步骤(1)～(4)，确定所测实际裂隙岩体的表征单元体积。

其中，步骤(4)中，当封闭曲线与椭圆的近似度大于90％时，说明裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量的规律。

具体的，步骤(5)中，当定量分析结果为裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量的规律时，缩小选取的实际裂隙岩体的体积，重复步骤(1)～(4)，直至裂隙岩体不同方向的渗透系数不符合渗透张量的规律，最后两次选取的实际裂隙岩体体积的平均值即为所测实际裂隙岩体的表征单元体积。