一種基于穩態流變速率切線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] 巖石的長期強度是巖石工程長期穩定性研究的重點，具有非常重要的工程背景和 意義。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進行衡量。確定長期強度最合理的方法是依據定義，采取 單級恒載試驗獲得巖石破壞強度和時間的關系，得到破壞時間趨于無限長時的荷載即為長 期強度。由于此方法需要多臺試驗機進行長時間的流變試驗，耗時耗費，因此實際很少采 用。
[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，應力-應變等時曲線簇法 在巖石流變特性較為顯著時，曲線初始的直線段和后期的曲線段的轉折拐點較為明顯，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 切線的巖石長期強度參數的確定方法，通過對巖石穩態流變速率曲線作出多個夾角的切 線，將切線與X軸的交點所形成的區間作為輔助參數，選定其中最小的區間來定量確定巖 石的長期強度參數區間。
[0005] 技術方案：本發明提供了一種基于穩態流變速率切線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， 通過得到的穩態流變階段的流變速率擬合出穩態流變速率曲線，并以0°~90°為夾角區 間，每隔10°對巖石穩態流變速率曲線作一條切線得到各條切線與橫軸的交點所形成的區 間，選擇區間范圍最小且穩態流變速率的拐點所在的區間，則該區間的偏應力值即為巖石 長期強度參數區間。
[0006] 由于環向流變速率更能反應巖樣的流變特性且曲線轉折點明顯，取環向流變速率 作為穩態流變速率的研究對象，得到環向穩態流變速率曲線。
[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，每級流變時間不少于50小時，直至巖 樣發生流變破壞。
[0009] 典型巖樣流變試驗將包含初期衰減流變、穩態流變和加速流變三個階段。每級加 載初期，巖樣的變形會隨著時間呈現衰減特性，即為初期衰減流變階段。隨后，巖樣會表現 為勻速穩態的流變特性，即為穩態流變。在穩態流變階段，巖石的變形既可以逐漸趨于收 斂，一般每級流變時間不少于50小時，以保證巖樣的變形趨于穩定，此時可進行下一級加 載；也可能發展為加速流變階段并最終破壞。
[0010] 巖石的穩態流變階段特性決定巖樣是否會發生破壞，其基本特征可表現為穩態流 變速率，故巖石穩態流變階段的流變速率可以有效的研究巖石的長期強度參數。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。
[0011] 進一步，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，將 各流變等級計算的環向流變速率在平面坐標系中進行指數函數的擬合，得到環向穩態流變 速率曲線，平面坐標系橫軸為偏應力（〇1- σ 3)/MPa，其中〇1/MPa為流變試驗的軸壓， σ 3/MPa為流變試驗的圍壓；縱軸Y軸為環向穩態流變速率_/ΙΟ、4。
[0012] 有益效果：本發明將巖石流變力學特性試驗的穩態流變速率曲線的切線與X軸的 交點所形成的區間引入，通過控制切線夾角的大小來確定拐點所在的巖石長期強度參數區 間，能夠克服傳統的應力-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，可以通過切線定量地確定巖石長期強度參數的具體區間數值，用切 線與坐標軸的區間來表征巖石長期強度參數的區間，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】
[0013] 圖1為本實施例巖樣的巖石流變力學特性試驗曲線圖；
[0014] 圖2為本發明方法確定巖石長期強度參數區間示意圖；
[0015] 圖3為本實施例巖樣確定長期強度參數區間的曲線圖。
【具體實施方式】
[0016] 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。
[0017] 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，通過對各級加載階段的穩態流變速率計算，利用指數函數擬合出穩態流變速率曲 線，再對巖石穩態流變速率曲線作出多