一种基于钻孔技术的岩芯冻融循环温度衰减模型建立方法

摘要

一种基于钻孔技术的岩芯冻融循环温度衰减模型建立方法，以岩石钻孔方法为基础，利用温度传感器测量对冻融循环岩样内部温度变化进行测量，分析完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长随循环次数增加的变化规律，并基于该变化规律建立岩样冻融循环温度劣化模型，可达到快速计算岩石内部温度变化程度，并预估完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长。使用该模型可达到快速计算岩石内部温度变化程度，并预估完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长，为冻融循环试验提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石冻融循环试验，尤其是基于钻孔技术的岩芯冻融循环温度衰减模型建立方法。

背景技术

我国寒冷、严寒地区面积占国土面积的70％以上，多年冻土区域面积约占国土面积的22.4％，因此冻融循环现象普遍存在于各类岩土工程中。随着昼夜温差与四季温差逐渐加大，冻融循环的影响也逐渐开始加大。在冻融循环过程中，影响岩石劣化程度的主要因素有：岩性、含水率、循环次数、循环温度范围、循环时长等。目前，岩石冻融循环的物理特性与力学衰减模型已经进行了大量的研究。张广泽和王栋等在专利《硬岩冻融损伤长期变形模型的构建方法》中公开了一种基于单轴压缩试验的硬岩冻融损伤长期变形模型。刘杰和张瀚等在专利《一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法》中公开了基于CT技术建立了层进式损伤弹性模量劣化预测模型。谭贤君和苏舟舟等在专利《一种冻融循环条件下岩石中未冻水含量的获取方法》中提供了一种冻融循环条件下岩石中未冻水含量的获取方法模型，该方法能够实现高精度,高可靠性,简便获取未冻水含量。阎锡东等在文《基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究》中考虑岩石中微裂隙的分布，将岩石冻融条件下的应变分解为初始损伤应变、附加损伤应变和塑性应变，建立了弹塑性冻融损伤本构模型。综上所述，以往学者对岩石的各类物理特性与力学衰减模型进行了深入的研究，但对于岩样整体达到指定温度的时长随着冻融循环次数增加而发生的变化规律却没有进行系统的研究。研究表明，随着冻融循环次数的增加，岩样到达指定温度所需的时间也存在相应的变化规律，而目前众多学者使用岩石冻融循环试验的冻融循环时长均为冻融循环实验规范时间：冻结过程4h，融化过程4h。却没有分析无论是冻结过程还是融化过程下，随着冻融循环次数的增加，岩样达到指定温度所需时间发生的变化规律。

发明内容

为了克服已有技术的不足，为了得到在冻融循环试验条件下，岩石达到完全冻融循环所需温度的时间规律。本发明以标准岩样钻孔技术为基础，利用温度传感器测量，精确测得岩样在冻融循环过程中岩芯位置温度的渐变规律，并对岩样中心温度随次数变化规律进行分析。计算岩样达到完全冻融循环时所需时间随循环次数的变化规律，并依据变化规律建立岩石冻融循环温度衰减模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于钻孔技术的岩芯冻融循环温度衰减模型建立方法，包括以下步骤：

1.1试样制备：将取得的原样进行加工并制成标准试样；再通过声波测试仪测定每块试样的纵波波速V

1.2冻融循环试验：进行冻结温度为T

1.3数据分类：对取得的试验数据进行分段，以T

1.4数据分析：提取不同冻融循环次数下冻结过程与融化过程温度变化所需时长的数据值，并将温度变化所需时长的数据值绘制成散点图；

1.5时长模型的建立：由于冻结过程循环时长D与融化过程循环时长R满足幂函数分布，因此也采用幂函数T＝an

1.6循环时长的确立：基于上述冻结过程温度衰减模型与融化过程温度衰减模型，相加得冻融循环时长：T＝T

进一步，所述步骤1.1中，标准试样的尺寸为：Ф50mm×100mm。

再进一步，所述步骤1.3中，冻结温度为T

本发明的技术构思为：本发明以岩石钻孔方法为基础，利用温度传感器测量对冻融循环岩样内部温度变化进行测量，分析完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长随循环次数增加的变化规律，并基于该变化规律建立岩样冻融循环温度劣化模型，可达到快速计算岩石内部温度变化程度，并预估完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长。

本发明的有益效果主要表现在：分析岩样完全冻融循环、冻结过程与融化过程循环时长随循环次数的增加而发生的变化规律，并基于此建立冻融循环温度衰减模型，使用该模型可达到快速计算岩石内部温度变化程度，并预估完全冻融循环、冻结过程与融化过程所需时长，为冻融循环试验提供依据。

附图说明

图1是不同冻融循环次数n＝5下的岩样内部温度变化图。

图2是不同冻融循环次数n＝10下的岩样内部温度变化图。

图3是不同冻融循环次数n＝15下的岩样内部温度变化图。

图4是不同冻融循环次数n＝20下的岩样内部温度变化图。

图5是不同冻融循环次数n＝25下的岩样内部温度变化图。

图6是不同冻融循环次数n＝30下的岩样内部温度变化图。

图7是不同冻融循环次数n＝35下的岩样内部温度变化图。

图8是不同冻融循环次数n＝40下的岩样内部温度变化图。

图9是冻结过程所需时间随冻融循环次数变化图。

图10是融化过程所需时间随冻融循环次数变化图。

图11是完全冻融循环过程所需时间随冻融循环次数变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图11，一种基于钻孔技术的岩芯冻融循环温度衰减模型建立方法，包括以下步骤：

1.1试样制备：将取得的原样进行加工并制成标准试样；再通过声波测试仪测定每块试样的纵波波速V

1.2冻融循环试验：进行冻结温度为T

1.3数据分类：对取得的试验数据进行分段，以T

1.4数据分析：提取不同冻融循环次数下冻结过程与融化过程温度变化所需时长的数据值，并将温度变化所需时长的数据值绘制成散点图；

1.5时长模型的建立：由于冻结过程循环时长D与融化过程循环时长R满足幂函数分布，因此也采用幂函数T＝an

1.6循环时长的确立：基于上述冻结过程温度衰减模型与融化过程温度衰减模型，相加得冻融循环时长：T＝T

本实例以凝灰岩冻融循环试验为例，来分析冻融循环时长随次数增长的变化情况，具体步骤如下：

(1)取均为浙江宁波地区的凝灰岩，将取得的试样进行加工并制成Ф50mm×100mm的试样，该试样满足国际岩石力学学会试验方法中的规定，剔除有明显缺陷的试样，使用声波仪将波速相近的试样分到一组，对同一组的试样进行中心位置钻孔，孔直径为6mm，深度为25mm；

(2)将低温试验箱内部温度调整至-20℃、恒温箱温度调整至20℃(试验箱温度范围偏差为±1℃)。将钻完孔的凝灰岩样放入107℃的干燥箱中干燥，24h后取出试样并采取自然饱水法饱水(水温20℃)，48h后取出试样，安装温度传感器，并在洞口采用橡皮泥堵孔，尽可能的防止外界温度对传感器的影响。安装完成后，用保鲜膜包裹试样，防止在冻融循环过程中水分的大量散失对实验造成影响。

(3)将处理完成后的试样放入低温试验中，开启温度采集仪，当温度采集仪显示值达到-20℃(±1℃)时，取出并存储试验数据。再将取出的凝灰岩样放入恒温箱中，当温度采集仪显示值达到20℃(±1℃)时取出并保存数据，即为一次冻融循环。重复该过程直至是试验结束。

(4)将原始数据导入MATLAB中，编写算法程序，使用循环判断语句，当软件第一次判断循环温度达到20℃时，进行数据分段，编号命名为第一次冻融循环。循环该过程，编号随分段数的增加而增加，最后将分段完成后的数据导出至Excel中，并绘图，如图1～图8所示。将第n次冻融循环数据导入MATLAB中，当温度达到-20℃时进行数据分段，并提取该行号数据。将分得的两段分别命名，前半段命名为第n次冻结过程，后半段命名为第n次融化过程。循环该过程直至40组数据全部分段完成，将完成后的数据导出至Excel中，并绘图。

(6)使用MATLAB将所有的行号数据导入，提取该数据中的循环次数值与时间值，导出Excel。

(7)将所有行号数据的Excel导入Origin中，绘制散点图，纵坐标为时间，横坐标为次数，以幂函数为初始模型进行拟合，得到冻结过程与融化过程温度衰减模型(如图9，图10)，具体如下：

冻结过程：T

其中：n为冻融循环次数，T

融化过程：R＝107.5(n

其中：n为冻融循环次数，T

(8)将相同次数下的冻结过程循环时长数据与融化过程循环时长数据相加，绘制散点图，使用拟合工具拟合，得到总体冻融循环时长随循环次数的变化规律满足幂函数趋势(如图11)，得如下公式：

T＝6.93n

其中：n为冻融循环次数，T为n次下凝灰岩完全冻融循环程所需时间(h)。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。