CN104990808B - 可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法。首先在需要进行力学参数测试的工程岩体中进行截割取样，将现场取得的测试岩体加工成标准圆柱体岩石试件；其次，将圆柱体岩石试件置于岩石三轴试验机的压力室内，在圆柱体试件轴向和环向上分别敷设位移传感器，并保证能进行实时数据传输到位移采集器里，实现圆柱体试件的轴向应变和环向应变数据的实时获取；然后，制作峰前滞后损伤岩样及岩石损伤程度测定，最后进行损伤岩样抗剪强度参数测定。可获得岩石峰前任一损伤状态下岩石损伤度及其抗剪强度力学参数及其变化规律，为地下工程施工力学过程的稳定性评价与支护优化设计提供重要技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及岩石损伤程度及其抗剪强度参数测定技术领域，具体是一种可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法。
背景技术
大量工程实践表明，在高应力条件下的深部地下工程在开挖后势必会造成周边围岩产生不同程度的破裂损伤，甚至突发性破坏。众所周知，岩石在外部荷载作用下的整个渐进破坏过程包括微孔隙(裂隙)压密，随机微破裂损伤产生，损伤破裂局部化形成微裂纹，微裂纹交叉联合，直至最终宏观破坏。随着微破裂损伤加剧，岩石内部承载结构受到逐步削弱而导致岩石强度衰减及其力学参数发生变化。
岩石破裂损伤程度可用岩石卸载后产生的不可逆塑性变形来描述。岩石损伤程度越大，卸载后产生的不可逆塑性变形越大。岩石强度衰减及其力学参数变化可通过力学试验来获取，但岩石强度是在外荷载作用下岩石达到破坏时刻的最大承载力除以受载面积来获得，对应的是完整岩样(无微破裂损伤)的峰值载荷那一特定时刻的力学参数，不能获得岩石峰值前任一损伤状态(不同损伤程度)下岩样的强度参数及其变化规律。
在深部地下工程中，岩爆并不随岩体开挖立即产生，而会滞后开挖一段时间、在地下工程周边围岩产生一定程度破裂损伤后在某一时刻突发性冲击破坏，常伴随有围岩体剥落、岩块弹射、甚至大量岩体抛出等动力现象。在掌子面开挖后的5～45h、距掌子面6～20m的范围内是岩爆发生的高峰期，在掌子面开挖后65h甚至更长时间也发生过多次强度较大的岩爆，这种岩爆滞后于开挖现象称之为迟滞岩爆。大量工程实践表明，地下工程开挖引起的围岩失稳破坏主要由开挖后应力改变和岩石强度衰减共同作用引起。因此，迫切需要通过室内试验研究在峰前某恒载作用下岩石滞后变形损伤后的强度衰减及其力学参数变化规律，这对于迟滞岩爆孕育机理研究，揭示迟滞岩爆机制及其岩爆时间预测具有重要的现实意义。
如何有效地利用单个岩样在岩石峰前阶段制作损伤状态可控的滞后损伤岩样，并同时获得在峰前某特定损伤状态下的岩石损伤程度及其岩石抗剪强度参数变化规律，进而准确描述峰前岩石力学性质参数，对于地下工程施工力学过程的稳定性评价与支护优化设计具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，在岩石峰前阶段制作损伤状态可控的滞后损伤岩样，然后利用同一岩样获取在该特定损伤状态下的岩石损伤程度及其抗剪强度参数变化规律。
本发明是以如下技术方案实现的：一种可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，包括如下各步骤：
步骤1：首先在需要进行力学参数测试的工程岩体中进行截割取样，将现场取得的测试岩体加工成标准圆柱体岩石试件；
步骤2：将圆柱体岩石试件置于岩石三轴试验机的压力室内，在圆柱体试件轴向和环向上分别敷设位移传感器，并保证能进行实时数据传输到位移采集器里，实现圆柱体试件的轴向应变和环向应变数据的实时获取；
步骤3：岩石峰前滞后损伤岩样制作，具体如下：
步骤301：按照现场实际工程岩体的最小主应力水平，按应力控制加载方式，对试件进行轴压和围压加载至静水压力状态a点，该状态下轴压σ1 a＝围压σ3 a；然后增加轴压至现场工程岩体的最大主应力水平，使得岩石试件处于现场工程岩体原岩应力水平状态b点，该状态下轴压σ1 b>围压σ3 a；
步骤302：保持该级围压σ3 a恒定，按位移控制加载方式，施加轴向荷载至现场工程岩体受到的外荷载次生应力水平c点，该状态下轴压σ1 c>围压σ3 a；
步骤303：当试件轴、围压施加至次生应力水平c点后，保持此应力水平的恒载作用一段时间至d点，待试件轴向变形缓慢增长后逐步稳定下来并连续保持100s未发生变化时即可卸载至原始地应力状态e点，该状态下轴压＝σ1 b，围压＝σ3 a；通过这种循环加载-保载-卸载方式制作好损伤状态可控的峰前滞后损伤岩样。
步骤4：岩石峰前滞后损伤岩样的损伤程度测定，具体如下：
步骤401：记录轴向荷载增加至现场工程岩体次生应力水平d点的轴向应变值εsi，从工程岩体次生应力水平卸载至原岩应力水平e点时产生的弹性应变值εei，不可逆塑性应变值εpi。
步骤402：采用常规三轴试验方法，获得岩石在该级围压σ3 a下的峰值应变值εP。
步骤403：定义岩石在此应力水平下的损伤度D＝εpi/εP，此时轴压＝σ1 c,围压＝σ3 a。
步骤5：岩石峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数测定，具体如下：
步骤501：保持该级围压σ3 a不变，按位移控制方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压下的峰值荷载σ1 f，当轴向加载越过峰值后，立即采用应力加载方式增加围压至下级应力水平σ3 b；
步骤502：在增大围压σ3 a至σ3 b后，保持围压σ3 b不变，继续按位移加载方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 b下的峰值荷载σ1 g。当轴向加载越过峰值后，立即采用应力加载方式增加围压至下级应力水平σ3 c。
步骤503：在增大围压σ3 b至σ3 c后，保持围压σ3 c不变，继续按位移加载方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 c下的峰值荷载σ1 h，直至试件轴向加载越过峰值达到最终破坏；
步骤504：利用三次屈服应力水平，分别对应的参数为：σ1 f、σ3 a，σ1 g、σ3 b，σ1 h、σ3 c，按照摩尔-库伦屈服准则s1＝As3+B，回归得到该滞后损伤状态D＝εpi/εP下的抗剪强度参数c和内摩擦角，其中抗剪强度参数：内摩擦角粘聚力
其进一步是：所述步骤1中标准圆柱体岩石试件的直径为50mm，高为100mm，高径比为2:1。
所述步骤301按应力控制加载方式，其加载速率均以0.05MPa/s。
所述步骤302按位移控制加载方式施加轴向荷载，位移加载速率为0.001mm/s。轴向卸载采用力控制方式，峰前的卸载速率均为500N/s。
所述步骤501、502、503按位移控制加载方式施加轴压，轴压加载速率为0.001mm/s；按应力控制加载方式施加围压，围压加载速率为0.6MPa/s；下一级围压高于上一级围压8～15MPa。
所述步骤303的围岩次生应力水平，轴压可依次选取为某级围压σ3 a下的三轴抗压强度峰值荷载的30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。通过一系列不同次生应力水平的加载-保载-卸载作用，制作多个不同损伤程度状态的滞后损伤岩样；然后针对每个损伤岩样，按照步骤4-步骤5获得该滞后损伤岩样的损伤度及其抗剪强度参数，进而以损伤度为横坐标，岩石抗剪强度参数为纵坐标作图，可以获得整个岩石破裂渐进过程中岩石抗剪强度参数变化规律。
本发明的有益效果是：
1.在岩石峰前阶段可制作损伤状态可控的滞后损伤岩样，以便模拟研究深部围岩滞后变形损伤与迟滞岩爆机制。
2.可获得岩石峰前任一损伤状态下岩石损伤度与抗剪强度力学参数及其变化规律，进而准确描述岩石强度衰减规律，为地下工程施工力学过程的稳定性评价与支护优化设计提供重要技术参数；
3.该测试方法操作简单，仅需单个试件即可实现损伤岩样制作及其抗剪强度参数测试，所需试件数少、节省试验时间；
4.同一试件的重复使用可有效避免不同岩石试件之间的非均匀性造成的强度参数差异。
附图说明
图1是本发明的单试件测定方法加载示意图；
图2是本发明的测定方法一实验曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图2本发明测定方法的一实验曲线作进一步的具体描述。
步骤1：首先将测试岩体加工成标准圆柱体试件，圆柱体试件的高度与直径之比为2:1；
步骤2：将圆柱体试件置于岩石三轴试验机的压力室内，在圆柱体试件轴向和环向上敷设位移传感器；通过手动试掰轴向和环向位移传感器，观察位移采集器里轴向和环向位移读数是否发生变化；若发生变化，则表明位移采集器能实时获取圆柱体试件的轴向和环向应变数据。
步骤301：按照现场实际工程岩体的最小主应力水平，按应力控制加载方式，对试件进行轴向σ1 a和围压σ3 a加载至静水压力状态，本次静水压力值为15MPa，轴压和围压加载速率均为0.05MPa/s，如图1中的a点所示；然后增加轴压至现场实际工程岩体的最大主应力水平σ1 b，其中σ1 b为25MPa，加载速率为0.05MPa/s，如图1中的b点所示，使得岩石试件处于现场工程岩体原岩应力水平(σ1 b＝25MPa,σ3 a＝15MPa)下的微孔隙或微裂隙压密状态，以此来模拟工程岩体未开挖之前的原始地应力状态，同时模拟岩石在原岩应力作用下的初始压缩状态。
步骤302：保持该级围压(15MPa)恒定，按位移控制加载方式，位移加载速率为0.001mm/s，施加轴向荷载至现场工程岩体受到的外荷载次生应力水平(σ1 c＝60MPa,σ3 a＝15MPa)(c点)，此外荷载次生应力水平(σ1 c,σ3 a)可为岩石峰前任一实际应力水平。
步骤303：当试件轴、围压施加至次生应力水平(σ1 c，σ3 a)后，如图1中的c点所示，保持此应力水平的恒载作用180s至d点，试件轴向变形缓慢增长后逐步稳定下来，并连续保持100s未发生变化。然后，从d点卸载至原始地应力状态(σ1 b，σ3 a)，如图1中的e点所示。轴向载荷卸载采用力控制方式，卸载速率均为500N/s。通过这种循环加载-保载-卸载过程来制作峰前滞后损伤岩样，模拟工程岩体变形随荷载增加但仍能保持地下工程结构性稳定的具有一定程度的损伤状态。
步骤401：记录轴向荷载增加至现场工程岩体次生应力水平(d点)的轴向应变值εsi＝0.0088，从工程岩体次生应力水平卸载至原岩应力水平(e点)时产生的弹性应变值εei＝0.0014，不可逆塑性应变值εpi＝0.0074。
步骤402：采用常规三轴试验方法，获得岩石在该级围压(σ3 a)下的峰值应变值εP＝0.0139。
步骤403：定义岩石在此应力水平(σ1 c,σ3 a)下的损伤度D＝0.53。
步骤501：保持该级围压(σ3 a)不变，按0.001mm/s加载速率增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压下的峰值荷载σ1 f＝100MPa，如图1中的f点所示。当轴向加载越过峰值后，立即将围压加载至下级应力水平σ3 b＝22MPa，围压加载采用应力加载方式，加载速率为0.6MPa/s。
步骤502：在增大围压σ3 a至σ3 b后，保持围压σ3 b不变，继续按0.001mm/s加载速率增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 b下的峰值荷载σ1 g＝110MPa，如图1中的g点所示。当轴向加载越过峰值后，立即将围压加载至下级应力水平σ3 c＝30MPa，围压加载采用应力加载方式，加载速率为0.6MPa/s。
步骤503：在增大围压σ3 b至σ3 c后，保持围压σ3 c不变，继续按0.001mm/s加载速率增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 c下的峰值荷载σ1 h＝123MPa，如图1中的h点所示，直至试件轴向加载越过峰值达到最终破坏。
步骤504：利用三次屈服应力水平(100，15)，(110，22)，(123，30)，按照摩尔-库伦屈服准则，回归得到该滞后损伤状态(D＝0.53)下的抗剪强度参数：粘聚力c＝29.56MPa和内摩擦角
Claims (6)
1.一种可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：包括如下各步骤：
步骤1：首先在需要进行力学参数测试的工程岩体中进行截割取样，将现场取得的测试岩体加工成标准圆柱体岩石试件；
步骤2：将圆柱体岩石试件置于岩石三轴试验机的压力室内，在圆柱体试件轴向和环向上分别敷设位移传感器，并保证能进行实时数据传输到位移采集器里，实现圆柱体试件的轴向应变和环向应变数据的实时获取；
步骤3：岩石峰前滞后损伤岩样制作，具体如下：
步骤301：按照现场实际工程岩体的最小主应力水平，按应力控制加载方式，对试件进行轴压和围压加载至静水压力状态a点，该状态下轴压σ1 a＝围压σ3 a；然后增加轴压至现场工程岩体的最大主应力水平，使得岩石试件处于现场工程岩体原岩应力水平状态b点，该状态下轴压σ1 b>围压σ3 a；
步骤302：保持该级围压σ3 a恒定，按位移控制加载方式，施加轴向荷载至现场工程岩体受到的外荷载次生应力水平c点，该状态下轴压σ1 c>围压σ3 a；
步骤303：当试件轴、围压施加至次生应力水平c点后，保持此应力水平的恒载作用一段时间至d点，待试件轴向变形缓慢增长后逐步稳定下来并连续保持100s未发生变化时即可卸载至原始地应力状态e点，该状态下轴压＝σ1 b，围压＝σ3 a；
步骤4：岩石峰前滞后损伤岩样的损伤程度测定，具体如下：
步骤401：记录轴向荷载增加至现场工程岩体次生应力水平d点的轴向应变值εsi，从工程岩体次生应力水平卸载至原岩应力水平e点时产生的弹性应变值εei，不可逆塑性应变值εpi；
步骤402：采用常规三轴试验方法，获得岩石在该级围压σ3 a下的峰值应变值εP；
步骤403：定义岩石在此应力水平下的损伤度D＝εpi/εP，此时轴压＝σ1 c,围压＝σ3 a；
步骤5：岩石峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数测定，具体如下：
步骤501：保持该级围压σ3 a不变，按位移控制方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压下的峰值荷载σ1 f，当轴向加载越过峰值后，立即采用应力加载方式增加围压至下级应力水平σ3 b；
步骤502：在增大围压σ3 a至σ3 b后，保持围压σ3 b不变，继续按位移加载方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 b下的峰值荷载σ1 g，当轴向加载越过峰值后，立即采用应力加载方式增加围压至下级应力水平σ3 c；
步骤503：在增大围压σ3 b至σ3 c后，保持围压σ3 c不变，继续按位移加载方式增加轴压，直至试件轴向应力达到该级围压σ3 c下的峰值荷载σ1 h，直至试件轴向加载越过峰值达到最终破坏；
步骤504：利用三次屈服应力水平，分别对应的参数为：σ1 f、σ3 a，σ1 g、σ3 b，σ1 h、σ3 c，按照摩尔-库伦屈服准则σ1＝Aσ3+B，回归得到该滞后损伤状态D＝εpi/εP下的抗剪强度参数c和内摩擦角其中抗剪强度参数：内摩擦角粘聚力
2.根据权利要求1所述的可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：所述步骤1中标准圆柱体岩石试件的直径为50mm，高为100mm，高径比为2:1。
3.根据权利要求1所述的可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：所述步骤301按应力控制加载方式，其加载速率均以0.05MPa/s。
4.根据权利要求1所述的可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：所述步骤302按位移控制加载方式施加轴向荷载，位移加载速率为0.001mm/s。
5.根据权利要求1所述的可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：所述步骤501、502、503按位移控制加载方式施加轴压，轴压加载速率为0.001mm/s；按应力控制加载方式施加围压，围压加载速率为0.6MPa/s；下一级围压高于上一级围压8～15MPa。
6.根据权利要求1所述的可获得峰前滞后损伤岩样抗剪强度参数的单试件测定方法，其特征在于：所述步骤303的围岩次生应力水平，轴压依次选取为某级围压σ3 a下的三轴抗压强度峰值荷载的30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Zhang Houquan Inventor after: Shi Hao Inventor after: Wu Yu Inventor after: Zhang Kai Inventor after: Zhang Minrui Inventor before: Zhang Houquan Inventor before: Wu Yu Inventor before: Zhang Kai Inventor before: Zhang Minrui |
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Granted publication date: 20171124 Termination date: 20180624 |