一種基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖石力學與工程領域，具體涉及一種巖石長期強度參數確定方法。
【背景技術】
[0002] 長期強度的確定是巖石工程長期穩定性和安全分析的重要方面，具有非常重要的 工程背景和意義。根據不同工程實際要求，對于巖石的長期強度的理解也有較大差別。現在 比較認可的一種巖石長期強度定義是巖石在長期恒定的外荷載作用下，發生流變現象；當 外荷載大于或等于某一定值時，巖石的流變變形會持續變大并最終發生破壞；當外荷載小 于某一定值時，巖石的流變變形速率會隨時間的推移逐漸變小，流變變形也會慢慢趨于收 斂，巖石不會發生破裂；這個應力水平的臨界值就可以稱為巖石的長期強度。理論上，長期 強度是特定值，但依據現存方法進行理論推導并通過試驗結果對其準確確定還較為困難， 常用一個區間或近似值來進行衡量。
[0003] 巖石的流變力學特性試驗是確定巖石長期強度的主要手段之一。長期強度的研究 主要集中在巖石流變力學特性試驗中巖石的應力狀態，在簡單應力狀態下，可利用直接法、 初始蠕變法、擴容法等直接確定；而在復雜應力狀態下，主要是依據流變試驗結果，采用應 力-應變等時曲線簇法和穩態流變速率拐點法進行確定，應力-應變等時曲線簇法和穩態 流變速率拐點法均是通過曲線直線段與曲線段的拐點來確定巖石的長期強度參數。這里的 曲線拐點指的是在巖石流變特性較為顯著時，應力-應變等時曲線簇法和穩態流變速率拐 點法曲線的突變點或轉折點。目前廣泛采用的拐點法是任意取軸向、環向或體積流變速率 曲線中的任意一條進行突變點目測，因此較為隨意不準確。此外，曲線初始的直線段和后期 的曲線段的轉折點較為明顯，但如果巖石流變特性不明顯時，曲線拐點較為模糊，很難直接 目測得到，效果不佳。
【發明內容】
[0004] 發明目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于穩態流變速率 交點的巖石長期強度參數的確定方法，通過巖石軸向穩態流變速率曲線和體積穩態流變速 率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數。
[0005] 技術方案：本發明提供了一種基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方 法，取巖芯試樣加工成標準圓柱形試樣，對標準圓柱形試樣進行三軸流變力學特性試驗，通 過穩態流變階段的軸向流變速率與體積流變速率擬合出兩條穩態流變速率曲線，利用軸向 和體積流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數。
[0006] 當巖石處于低應力狀態下，軸向穩態流變速率比體積穩態流變速率要大，巖石處 于壓縮變形狀態；當巖石處于較高的應力狀態下，體積穩態流變速率急劇增加，超過軸向穩 態流變速率，較短時間內即可發生巖石破壞，巖石變形由壓縮變形轉化為體積擴容為主。故 軸向和體積穩態流變速率變化曲線存在一個交點，應力處于此交點之前，巖石不產生明顯 的延性破壞；應力超過此交點，巖石表現出明顯的體積擴容，并很快發生擴容破壞，故此交 點為巖石壓縮變形與體積擴容的臨界值，所對應的偏應力值即為該花崗片麻巖的長期強度 參數值。
[0007] 進一步，所述巖芯要求完好、無破損，加工時不破壞巖樣原始的內部結構。
[0008] 進一步，所述三軸流變力學特性試驗的圍壓取巖石在實際工程中所受的應力值， 采取分級加載的方法：在巖石流變力學特性試驗前先對同批次試樣進行三軸瞬時力學特性 試驗，得到瞬時峰值強度，流變試驗的初始加載水平取瞬時試驗峰值強度的55 %~65 %， 隨后每級加載瞬時峰值強度的3%~5%，取整數值，每級加載不少于50小時，直至巖樣發 生流變破壞。
[0009] 巖石的穩態流變階段特性的基本特征可表現為穩態流變速率。將巖石流變各級加 載階段進行初期衰減流變和穩態流變階段的劃分，對各加載等級的穩態流變階段的流變速 率進行均值計算，得到穩態流變速率，其中，最后一級流變階段還要剔除加速流變階段的變 形數據來計算穩態流變速率。
[0010] 進一步，取軸向穩態流變速率和體積穩態流變速率作為研究對象，以各加載等級 的偏應力值為橫坐標數據，穩態流變速率為縱坐標數據，在平面坐標系中利用指數函數分 別擬合所述兩條穩態流變速率曲線，平面坐標系橫軸為偏應力 3)/MPa，其中〇1/ MPa為流變試驗的軸向壓力，〇3/MPa為流變試驗的圍壓，縱軸為穩態流變速率纟/1 (Plf1。
[0011] 有益效果：本發明將巖石流變力學特性試驗成果計算得到的軸向穩態流變速率曲 線和體積穩態流變速率曲線進行比較，通過巖石壓縮變形與體積擴容的臨界值，即兩條穩 態流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數，克服了傳統的應力-應變等時 曲線簇法和穩態流變速率方法在流變特性不明顯的巖樣中拐點模糊的問題，對準確評價巖 石的長期穩定性問題具有參考價值。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實施例巖樣的巖石流變力學特性試驗曲線圖；
[0013] 圖2為本發明方法確定巖石長期強度參數示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施 例。
[0015] 實施例：本發明通過巖石試樣的流變力學特性試驗得到其流變力學特性試驗曲線 和數據；對各級加載階段的穩態流變速率計算，通過指數函數擬合出軸向和體積穩態流變 速率曲線；利用軸向和體積流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數。
[0016] 本實施例的具體實施步驟如下：
[0017] ①利用取芯鉆具獲取地下巖石洞庫的花崗片麻巖巖芯試樣，加工成高度為100mm、 直徑為50mm的標準圓柱形試樣，巖芯試樣要求完好、無破損，加工時要求不破壞巖樣原始 的內部結構。
[0018] ②將制備好的巖樣放入巖石三軸流變試驗儀上，取圍壓（〇3/MPa)為地下洞庫 中巖石所受實際地應力值4MPa，采取分級加載的方法進行三軸流變力學特性試驗。在巖 石流變力學特性試驗前先對同批次試樣進行三軸瞬時力學特性試驗，得到其峰值強度為 224. 50MPa;取流變試驗的初始加載水平為瞬時強度的56%，取整后即為125.OOMPa;隨后 每級加載瞬時峰值強度的5%，取整后即為10.OOMPa;如圖1所示，圖中ei為巖石的軸向 應變、e3為巖石的環向應變、ev為巖石的體積應變、t/h為巖石的流變時間參數；每級流 變時間為72小時，以保證巖樣的變形趨于穩定，再進行下一級加載，直至第5級加載后，巖 樣在流變35小時后發生加速流變現象，最終發生流變破壞。
[0019] ③通過三軸流變試驗數據，將各加載等級的穩態流變階段速率進行均值計算，得 到巖石各加載等級的穩態流變速率，取軸向和體積流變速率作為穩態流變速率的研究對 象，以各加載等級的偏應力值為橫坐標數據，穩態流變速率為縱坐標數據，如圖2所示，并 在平面坐標系中利用指數函數擬合出兩條穩態流變速率曲線，圖中平面坐標系橫軸（X軸） 為偏應力（（(^一 〇 3)/MPa)，其中（〇1/MPa)為流變試驗的軸向壓力，（〇3/MPa)為流變試 驗的圍壓；縱軸（Y軸）為穩態流變速率)。
[0020] ④如圖2所示，當巖石處于低應力狀態下，軸向穩態流變速率（曲線1)比體積穩 態流變速率（曲線2)要大，巖石處于壓縮變形狀態；當巖石處于較高的應力狀態下，體積 穩態流變速率（曲線2)急劇增加，超過軸向穩態流變速率（曲線1)，較短時間內即可發 生巖石破壞，巖石變形由壓縮變形轉化為體積擴容為主。故軸向和體積穩態流變速率變 化曲線存在一個交點3。此交點為巖石壓縮變形與體積擴容的臨界值，所對應的偏應力值 153. 20MPa即為該花崗片麻巖的長期強度參數值。
【主權項】
1. 一種基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，其特征在于：取巖芯試 樣加工成標準圓柱形試樣，對標準圓柱形試樣進行三軸流變力學特性試驗，通過穩態流變 階段的軸向流變速率與體積流變速率擬合出兩條穩態流變速率曲線，利用軸向和體積流變 速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數。2. 根據權利要求1所述的基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，其特 征在于：所述巖芯要求完好、無破損，加工時不破壞巖樣原始的內部結構。3. 根據權利要求1所述的基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，其特 征在于：所述三軸流變力學特性試驗的圍壓取巖石在實際工程中所受的應力值，采取分級 加載的方法：在巖石流變力學特性試驗前先對同批次試樣進行三軸瞬時力學特性試驗，得 到瞬時峰值強度，流變試驗的初始加載水平取瞬時試驗峰值強度的55%~65%，隨后每級 加載瞬時峰值強度的3%~5%，取整數值，每級加載不少于50小時，直至巖樣發生流變破 壞。4. 根據權利要求3所述的基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，其特 征在于：將巖石流變各級加載階段進行初期衰減流變和穩態流變階段的劃分，對各加載等 級的穩態流變階段的流變速率進行均值計算，得到穩態流變速率，其中，最后一級流變階段 剔除加速流變階段的變形數據來計算穩態流變速率。5. 根據權利要求1所述的基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，其特 征在于：在平面坐標系中利用指數函數分別擬合所述兩條穩態流變速率曲線，平面坐標系 橫軸為偏應力 3)/MPa，其中〇1/MPa為流變試驗的軸向壓力，〇3/MPa為流變試驗 的圍壓，縱軸為穩態流變速率t: /10_V。
【專利摘要】本發明公開了一種基于穩態流變速率交點的巖石長期強度參數確定方法，取巖芯試樣加工成標準圓柱形試樣，對標準圓柱形試樣進行三軸流變力學特性試驗，通過穩態流變階段的軸向流變速率與體積流變速率擬合出兩條穩態流變速率曲線，利用軸向和體積流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數。本發明將巖石流變力學特性試驗成果計算得到的軸向穩態流變速率曲線和體積穩態流變速率曲線進行比較，通過巖石壓縮變形與體積擴容的臨界值，即兩條穩態流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數，克服了傳統的應力-應變等時曲線簇法和穩態流變速率方法在流變特性不明顯的巖樣中拐點模糊的問題，對準確評價巖石的長期穩定性問題具有參考價值。
【IPC分類】G01N3/00
【公開號】CN105021444
【申請號】CN201510369199
【發明人】劉琳, 徐衛亞, 王環玲, 王如賓, 王偉, 石崇
【申請人】河海大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年6月29日