一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法
【專利摘要】本發明涉及一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，包括：a、加工巖石試件；b、將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上；c、按荷載控制模式對試件進行軸向加載，直至試件破壞；d、計算試件的體積應變；e、確定體積應變-軸向應力曲線中的裂隙損傷強度；f、在體積應變與軸向應力的關系曲線中連接零點與裂隙損傷強度點，形成一條參考線；g、從零點開始至裂隙損傷強度結束，計算體積應變-軸向應力曲線上的應變值與相同應力水平下參考線對應的應變值之差；h、做出體積應變差與軸向應力的關系散點圖，圖中體積應變差為峰值所對應的應力即為巖石的啟裂強度。本發明適用于為地下工程服務的巖石力學試驗。
【專利說明】一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，特別是涉及一種適用于為地下工程服務的巖石力學試驗的采用體積應變差確定巖石在壓縮條件下啟裂強度的方法。
【背景技術】
[0002]巖石受力破壞過程是其內部微破裂萌生、擴展和貫通的過程。其在壓縮條件下的損傷和破壞過程可主要劃分為幾個重要階段:(I)裂隙閉合；(2)彈性變形；(3)裂隙初始；(4)裂隙穩定發展；(5)裂隙貫通；(6)非穩定裂隙發展；(7)破壞；⑶破壞后階段。其中，裂隙初始所對應的應力水平稱為巖石啟裂強度。啟裂強度(Ocd)是巖石在壓縮破壞過程中的重要特征應力值之一，合理確定該應力值對于描述巖石的力學行為以及預測地下工程開挖邊界附近的劈裂破壞具有重要意義。目前，國際巖石力學與工程學會(ISRM)建立了劈裂破壞預測(Commiss1n on Spall Predict1ns)委員會,該委員會的重要目標之一是提出巖石啟裂強度的確定方法。然而到目前為止，國際上還尚未形成明確的建議方法來確定巖石在壓縮條件下的啟裂強度。
[0003]現有測定巖石啟裂強度的方法主要包括應力應變法和聲發射法兩類。應力應變法是利用粘貼在巖石試件表面的軸向和橫向應變片，或安裝在巖石試件上的縱向和橫向引伸計，在壓縮過程中記錄軸向應力，并分別測量其兩個方向的應變，然后繪制軸向應力和應變(軸向、橫向和體積應變)關系曲線，并在體積應變-軸向應力曲線上做切線，當曲線偏離切線時對應的軸向應力即為巖石的啟裂強度。然而，該方法在很大程度上具有主觀性，其強烈依賴于用戶對此偏離點的肉眼判斷，由此得出的啟裂強度值便不再客觀。在聲發射方法中，多采用以柱狀圖顯示的實時聲發射參數的變化來確定巖石啟裂強度。其判讀的依據是:在加載初始階段，聲發射信號微弱，隨著軸向壓力的增大，巖石開始出現一次顯著的聲發射事件，此時的軸向應力即為巖石啟裂強度。然而，由于聲發射監測信號對于巖石受力響應的高度敏感性以及背景噪聲的干擾，巖石在孔隙裂隙壓密階段和彈性變形階段也可能檢測出較強的聲發射信號，從而干擾了對于啟裂強度值的準確識別。因此亟需提供一種新型的巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種便于客觀判讀巖石在壓縮條件下的啟裂強度值的巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，依次包括以下步驟:
[0006](I)對現場鉆取的完整巖芯進行加工，制備圓柱形的巖石試件；
[0007](2)對試件進行軸向加載，直至試件破壞；實時采集軸向應力σ I對應下的軸向應變S1和環向應變ε3數據；
[0008](3)獲得體積應變 ε ν= ε !+2 ε 3 ；
[0009](4)獲得體積應變與軸向應力的關系曲線；
[0010](5)獲得裂隙損傷強度σ，所述裂隙損傷強度σ。<!為體積應變與軸向應力的關系曲線中，體積應變最大值對應的軸向應力值；
[0011](6)獲得參考線；所述參考線為體積應變與軸向應力的關系曲線中，零點與裂隙損傷強度σ μ的連接線；
[0012](7)獲得從零點開始至裂隙損傷強度的各軸向應力值對應的體積應變差；所述體積應變差為相同軸向應力值下的體積應變與軸向應力的關系曲線與參考線上的體積應變之差;
[0013](8)獲得巖石的啟裂強度，所述巖石的啟裂強度為體積應變差最大值對應的軸向應力值。
[0014]巖石試件的高度與直徑比為2:1。
[0015]軸向應變h和環向應變^3數據通過在所述巖石試件上安裝軸向和環向引伸計米集。
[0016](2)中對試件進行軸向加載包括，將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上，采用壓力機的圍壓系統對試件施加預先設定的圍壓，采用荷載控制模式對試件進行軸向加載。
[0017]壓力機為美國MTS公司生產的型號為MTS815的壓力機。
[0018](2)中對試件進行軸向加載包括，單軸壓縮或三軸壓縮。
[0019]單軸壓縮時圍壓為0。
[0020]三軸壓縮時圍壓為20MPa。
[0021]本發明通過為確定巖石在壓縮條件下的啟裂強度提供了一種新方法，本發明所述方法的特點是去除了用戶的主觀判斷，根據體積應變差與軸向應力的關系曲線對啟裂強度進行客觀判讀，保證了求解的唯一性，該方法簡單可靠，易于推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明單軸壓縮條件下應變與軸向應力的關系曲線圖；
[0023]圖2為本發明單軸壓縮條件下軸向應力與體積應變差的關系曲線圖；
[0024]圖3為本發明三軸壓縮條件下(圍壓為20MPa)應變與軸向應力的關系曲線圖；
[0025]圖4為本發明三軸壓縮條件下軸向應力與體積應變差的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0027]實施例1:
[0028]本實施例為單軸壓縮條件下確定巖石的啟裂強度，現進行以下操作:
[0029](1)對甘肅北山高放廢物地質處置庫預選區鉆取的完整巖芯進行加工，制備成高度與直徑比為2:1的圓柱形巖石試件，本例采用的巖石試件直徑為50mm，高為100mm。
[0030](2)將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上,壓力機型號為:MTS815 (美國MTS公司生產)。
[0031](3)在巖樣的中部安裝軸向和環向引伸計。
[0032](4)采用壓力機的荷載控制模式對試件進行單軸壓縮試驗，加載速率設為0.75MPa/s，直至試件破壞，試驗結束。
[0033](5)如圖1所示，根據測得的軸向應變(ε ^與軸向應力(σ J關系曲線1和環向應變(ε3)與軸向應力(0l)關系曲線2，得到試件的體積應變(εν)，εν=ει+2ε3，其中h為正值，ε 3為負值。
[0034](6)如圖1所示，根據步驟(5)所得結果，繪制體積應變ε ν與軸向應力σ i的關系曲線3 ；
[0035]( 7 )如圖1所示，在體積應變-軸向應力曲線中得出體積應變的旋轉點，即體積應變最大值所對應的數據點4，其對應的軸向應力為裂隙損傷強度(σ μ)。
[0036](8)如圖1所示，連接零點5與裂隙初始損傷強度點4，形成一條直線6，即參考線。
[0037](9)如圖1所示，從零點開始至裂隙損傷強度結束，計算體積應變-軸向應力曲線上的體積應變值與相同應力水平條件下參考線對應的體積應變值之差，即體積應變差7。
[0038](10)如圖2所示繪制軸向應力與體積應變差的散點圖1，圖為“倒U形”，圖中體積應變差峰值所對應的軸向應力值即為巖石的啟裂強度2。
[0039]實施例2:
[0040]本實施例為三軸壓縮條件下確定巖石啟裂強度，現進行以下操作:
[0041](1)對甘肅北山高放廢物地質處置庫預選區鉆取的完整巖芯進行加工，制備成高度與直徑比為2:1的圓柱形巖石試件，本例采用的巖石試件直徑為50mm，高為100mm。
[0042](2)將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上，壓力機型號為:MTS815 (美國MTS公司生產)。
[0043](3)在巖樣的中部安裝軸向和環向引伸計。
[0044](4)通過壓力機的圍巖系統對巖樣施加圍壓，本例所采用的圍壓值為20MPa。
[0045](5)采用壓力機的荷載控制模式對試件進行三軸壓縮試驗，加載速率設為0.75MPa/s，直至試件破壞，試驗結束。
[0046](6)如圖3所示，根據測得的軸向應變(ε 與軸向應力(σ J關系曲線1和環向應變(ε3)與軸向應力(0l)關系曲線2，得到試件的體積應變(εν)，εν=ει+2ε3，其中h為正值，ε 3為負值。
[0047](7)如圖3所示，根據步驟(6)所得結果，繪制體積應變ε ν與軸向應力σ i的關系曲線3 ；
[0048]( 8 )如圖3所示，在體積應變-軸向應力曲線中得出體積應變的旋轉點，即體積應變最大值所對應的數據點4，其對應的應力為裂隙損傷強度(σ ε(1)。
[0049](9)如圖3所示，連接零點5與裂隙初始損傷強度點4，形成一條直線6，即參考線。
[0050](10)如圖3所示，從零點開始至裂隙損傷強度結束，計算體積應變-軸向應力曲線上的體積應變值與相同應力水平下參考線對應的體積應變值之差，即體積應變差7。
[0051](11)如圖4所示,所示繪制軸向應力與體積應變差的散點圖1,圖為“倒U形”,圖中體積應變差峰值所對應的應力即為巖石的啟裂強度2。
[0052]上述實施例中的圍壓值只是舉例說明，實際上本方法適用于任意圍壓。本發明不局限于上述實施方式，所屬【技術領域】的技術人員從上述方法出發，在不脫離本發明宗旨的前提下，還可以作出各種變化。
【權利要求】
1.一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，依次包括以下步驟: (1)對現場鉆取的完整巖芯進行加工，制備圓柱形的巖石試件； (2)對試件進行軸向加載，直至試件破壞；實時采集軸向應力σi對應下的軸向應變ε I和環向應變ε3數據； (3)獲得體積應變εν= ε Α2 ε 3 ; (4)獲得體積應變與軸向應力的關系曲線； (5)獲得裂隙損傷強度Om1，所述裂隙損傷強度Oed為體積應變與軸向應力的關系曲線中，體積應變最大值對應的軸向應力值； (6)獲得參考線；所述參考線為體積應變與軸向應力的關系曲線中，零點與裂隙損傷強度σ 的連接線； (7)獲得從零點開始至裂隙損傷強度的各軸向應力值對應的體積應變差；所述體積應變差為相同軸向應力值下的體積應變與軸向應力的關系曲線與參考線上的體積應變之差; (8)獲得巖石的啟裂強度，所述巖石的啟裂強度為體積應變差最大值對應的軸向應力值。
2.根據權利要求1所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述巖石試件的高度與直徑比為2:1。
3.根據權利要求1所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述軸向應變h和環向應變83數據通過在所述巖石試件上安裝軸向和環向引伸計采集。
4.根據權利要求1所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:將巖石試件安裝在壓力機的試樣臺上，采用壓力機的圍壓系統對試件施加預先設定的圍壓，采用荷載控制模式對試件進行軸向加載。
5.根據權利要求4所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述壓力機為美國MTS公司生產的型號為MTS815的壓力機。
6.根據權利要求1所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述(2)中對試件進行軸向加載包括，單軸壓縮或三軸壓縮。
7.根據權利要求6所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述單軸壓縮時圍壓為O。
8.根據權利要求6所述的一種巖石在壓縮條件下的啟裂強度確定方法，其特征在于:所述三軸壓縮時圍壓為20MPa。
【文檔編號】G01N3/08GK104458413SQ201310430473
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】趙星光, 馬利科, 謝敬禮, 宗自華, 蘇銳, 王駒 申請人:核工業北京地質研究院