岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法及相关设备技术

本申请提供了一种岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法及相关设备，用于在颗粒离散元技术的基础上，通过细观饱水系数在细观层次上对每个颗粒的吸水状态进行表征，实现了数值精细化建模，因此可以精确、高效地还原岩石吸水过程，由此具有显著提高的实用价值。由此具有显著提高的实用价值。由此具有显著提高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法及相关设备


[0001]本申请涉及岩石渗流过程分析领域，具体涉及岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法及相关设备。

技术介绍

[0002]作为一种多孔介质材料，岩石具有吸水性的物理力学性质，当水分自其表面渗入孔隙通道后，会发生自然扩散，与岩石内部接触，发生复杂的物理，力学和化学等作用，造成岩石结构的损伤。在岩土工程实践中，岩石常遭受如雨水，河流，地下水和水蒸气等水的侵蚀，水的存在削弱了岩石强度和刚度，导致了许多工程地质灾害，如：隧道突水，巷道塌陷和矿区地表塌陷等，其中，水在岩层中的作用范围对工程地质灾害的预测起决定作用，因此，研究岩层中水的分布、扩散范围及其均匀性的定量化表征具有重大的工程意义。
[0003]在现场中，获取岩层中水的扩散特征存在一定的技术难度，因此往往采用室内试验和数值模拟手段进行研究。
[0004]常见的室内试验手段是通过测量干燥岩石试样与含水岩石试样的重量计算其宏观含水率，但无法描述水在岩石内部的扩散状态，因而无法对岩石内部含水率进行精确地量测；另外，由于所采集试样存在不均匀性，试验结果容易出现离散的现象；由于无法提前预知吸水规律，岩石的吸水量无法控制，无法确定特定含水率下岩石中水的扩散状态。
[0005]数值模拟手段中常采用有限元软件耦合湿度场对岩石中水的扩散状态进行模拟，但难以考虑岩石作为一种非连续介质材料内部的裂隙以及在细观层面上的各向异性，在该情况下，颗粒离散元则可以考虑细观范畴的结构随机性，更真实地反映水在岩石内部的扩散规律。
[0006]然而在现有的相关技术的研究过程中，专利技术人发现，目前基于颗粒离散元表征岩石中水分扩散的方法，大多是通过耦合流体力的作用实现，但主要存在3个方面的问题：(1)，无法量化水分在岩石中的扩散特征，表征岩石的吸水过程，也不能测定岩石实时的含水率和水分扩散系数；(2)，模拟范围存在局限性，所表征的状态是饱水岩石的渗流过程，未能反映岩石从干燥逐渐饱和的吸水过程；(3)，由于依赖于流体网格，其计算速度缓慢，不适用于大尺度工程的模拟，显然实用价值有限。

技术实现思路

[0007]本申请提供了岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法及相关设备，用于在颗粒离散元技术的基础上，通过细观饱水系数在细观层次上对每个颗粒的吸水状态进行表征，实现了数值精细化建模，因此可以精确、高效地还原岩石吸水过程，由此具有显著提高的实用价值。
[0008]第一方面，本申请提供了一种岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法，方法包括：
[0009]在确定目标岩样后，通过岩石吸水试验获取目标岩样在不同吸水时间下的样本饱
水系数；
[0010]构建离散元标准岩样模型的颗粒初始骨架，并使离散元标准岩样模型内应力充分平衡；
[0011]编制基于质量守恒与水扩散方程的离散元程序，并建立离散元标准岩样模型中宏观和细观参数指标的关系，以模拟水在岩石内部的自然扩散规律，宏观和细观参数指标的关系中包括水分扩散系数和饱水系数的关系；
[0012]在离散元标准岩样模型中建立吸水边界条件和初始条件，改变宏观水分扩散系数，进行吸水过程模拟并获取不同宏观水分扩散系数下的宏观饱水系数
‑
时间曲线，直至曲线与样本饱水系数相吻合；
[0013]基于完成标定参数的离散元标准岩样模型，开展各种工况下和不同吸水状态的条件下岩石的离散元模拟。
[0014]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，方法还包括：
[0015]将岩石加工成Φ50mm
×
100mm的标准试样，将标准试样放入105℃～110℃的烘箱内烘12h，取出后置于干燥器内冷却至室温，并称其质量；
[0016]在岩石吸水试验时，首先注水至标准试样的1/4高度处，之后每隔2h分别注水至标准试样高度的1/2和3/4处，6h后将水加至高出标准试样顶面20mm，标准试样被水浸没后自由吸水。
[0017]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，通过岩石吸水试验获取目标岩样在不同吸水时间下的样本饱水系数，包括：
[0018]在岩石吸水试验中，待目标岩样自由吸水后质量没有发生变化后，通过下式计算目标岩样在不同吸水时间下的样本饱水系数：
[0019][0020][0021][0022]其中，W为岩石吸水率，m1为不同吸水时间下浸水岩石的质量，m为干燥岩样的质量，W
s
为岩石饱和吸水率，m2为浸水岩样的饱和质量，w为岩石饱水系数。
[0023]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，编入离散元程序的细观水扩散公式为：
[0024][0025]其中，t为时间，w
i*
为颗粒i的细观饱水系数，N为与颗粒i相邻的所有颗粒数，d
ij
为颗粒i与颗粒j的细观水分扩散系数，Δw
ij*
为颗粒i与颗粒j的细观饱水系数之差，L
ij
为颗粒i与颗粒j的中心距离。
[0026]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，编入离散元程序的宏观水分扩散系数与细观水分扩散系数的转化关系为：
[0027][0028][0029]其中，d
ic
为颗粒i在接触c上的细观水分扩散系数，D为颗粒i在其等效流域体积内的宏观水分扩散系数张量，V
i
为颗粒i的等效连续流域体积，l
ic
为颗粒i中心到接触边界的距离，d
ij
为颗粒i和颗粒j的细观水分扩散系数，d
jc
为颗粒i在接触c上的细观水分扩散系数。
[0030]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，对于吸水过程模拟，获取的宏观饱水系数
‑
时间曲线所需的模型的宏观饱水系数，通过下式获得：
[0031][0032]其中，w为宏观细观饱水系数，N为与颗粒i相邻的所有颗粒数，w
i*
为颗粒i的细观饱水系数，V
i
为颗粒i的等效连续流域体积，w
is*
为饱和状态下颗粒i的细观饱水系数，w
is*
取1.0。
[0033]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，离散元模拟的内容具体包括：
[0034]标准圆柱体及其他不同形状岩石试样吸水过程的数值模拟研究；
[0035]标准圆柱体及其他不同形状岩石水分扩散系数的测定；
[0036]结合岩土力学宏细观参数在不同饱水系数下的劣化规律。
[0037]第二方面，本申请提供了一种岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的装置，装置包括：
[0038]获取单元，用于在确定目标岩样后，通过岩石吸水试验获取目标岩样在不同吸水时间下的样本饱水系数；
[0039]构建单元，用于构建离散元标准岩样模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩石水分扩散系数测定与吸水过程模拟的方法，其特征在于，所述方法包括：在确定目标岩样后，通过岩石吸水试验获取所述目标岩样在不同吸水时间下的样本饱水系数；构建离散元标准岩样模型的颗粒初始骨架，并使所述离散元标准岩样模型内应力充分平衡；编制基于质量守恒与水扩散方程的离散元程序，并建立所述离散元标准岩样模型中宏观和细观参数指标的关系，以模拟水在岩石内部的自然扩散规律，所述宏观和细观参数指标的关系中包括水分扩散系数和饱水系数的关系；在所述离散元标准岩样模型中建立吸水边界条件和初始条件，改变宏观水分扩散系数，进行吸水过程模拟并获取不同宏观水分扩散系数下的宏观饱水系数
‑
时间曲线，直至曲线与所述样本饱水系数相吻合；基于完成标定参数的所述离散元标准岩样模型，开展各种工况下和不同吸水状态的条件下岩石的离散元模拟。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将岩石加工成Φ50mm
×
100mm的标准试样，将所述标准试样放入105℃～110℃的烘箱内烘12h，取出后置于干燥器内冷却至室温，并称其质量；在岩石吸水试验时，首先注水至所述标准试样的1/4高度处，之后每隔2h分别注水至所述标准试样高度的1/2和3/4处，6h后将水加至高出所述标准试样顶面20mm，所述标准试样被水浸没后自由吸水。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过岩石吸水试验获取所述目标岩样在不同吸水时间下的样本饱水系数，包括：在所述岩石吸水试验中，待所述目标岩样自由吸水后质量没有发生变化后，通过下式计算所述目标岩样在不同吸水时间下的所述样本饱水系数：样在不同吸水时间下的所述样本饱水系数：样在不同吸水时间下的所述样本饱水系数：其中，W为岩石吸水率，m1为不同吸水时间下浸水岩石的质量，m为干燥岩样的质量，W
s
为岩石饱和吸水率，m2为浸水岩样的饱和质量，w为岩石饱水系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，编入所述离散元程序的细观水扩散公式为：其中，t为时间，w
i*
为颗粒i的细观饱水系数，N为与所述颗粒i相邻的所有颗粒数，d
ij
为所述颗粒i与颗粒j的细观水分扩散系数，Δw
ij*
为所述颗粒i与所述颗粒j的细观饱水系数
之差，L
ij
为所述颗粒i与所述颗粒j的中心距离。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，编入所述离散元程序的宏观水分扩散系数与细观水分扩散系数的转化关系为：与细观水分扩散系数的转化关系为：其中，d

【专利技术属性】
技术研发人员：卞康，陈彦安，刘建，刘振平，艾飞，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：