CN105043905A - 一种基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，通过稳态流变速率曲线以0°～90°为夹角区间，每隔10°对岩石稳态流变速率曲线作一条切线得到各条切线与横轴的交点所形成的区间，选择区间范围最小且稳态流变速率的拐点所在的区间，则该区间的偏应力值即为岩石长期强度参数区间；本发明将稳态流变速率曲线的切线与X轴的交点所形成的区间引入，通过控制切线夹角的大小来确定拐点所在的岩石长期强度参数区间，能够克服传统的应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率方法在流变特性不明显的岩样中拐点模糊的问题，可以通过切线定量地确定岩石长期强度参数的具体区间数值，用切线与坐标轴的区间来表征岩石长期强度参数的区间。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程领域，具体涉及一种岩石长期强度参数确定方法。
背景技术
岩石的长期强度是岩石工程长期稳定性研究的重点，具有非常重要的工程背景和意义。现在比较认可的一种岩石长期强度定义是岩石在长期恒定的外荷载作用下，发生流变现象；当外荷载大于或等于某一定值时，岩石的流变变形会持续变大并最终发生破坏；当外荷载小于某一定值时，岩石的流变变形速率会随时间的推移逐渐变小，流变变形也会慢慢趋于收敛，岩石不会发生破裂；这个应力水平的临界值就可以称为岩石的长期强度。理论上，长期强度是特定值，但依据现存方法进行理论推导并通过试验结果对其准确确定还较为困难，常用一个区间或近似值进行衡量。确定长期强度最合理的方法是依据定义，采取单级恒载试验获得岩石破坏强度和时间的关系，得到破坏时间趋于无限长时的荷载即为长期强度。由于此方法需要多台试验机进行长时间的流变试验，耗时耗费，因此实际很少采用。
岩石的流变力学特性试验是确定岩石长期强度的主要手段之一。长期强度的研究主要集中在岩石流变力学特性试验中岩石的应力状态，在简单应力状态下，可利用直接法、初始蠕变法、扩容法等直接确定；而在复杂应力状态下，主要是依据流变试验结果，采用应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率拐点法进行确定。应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率拐点法均是通过曲线直线段与曲线段的拐点来确定岩石的长期强度参数。这里的曲线拐点指的是在岩石流变特性较为显著时，应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率拐点法曲线的突变点或转折点。目前广泛采用的拐点法是任意取轴向、环向或体积流变速率曲线中的任意一条进行突变点目测，因此较为随意不准确。此外，应力-应变等时曲线簇法在岩石流变特性较为显著时，曲线初始的直线段和后期的曲线段的转折拐点较为明显，但如果岩石流变特性不明显时，曲线拐点较为模糊，很难直接目测得到，效果不佳。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数的确定方法，通过对岩石稳态流变速率曲线作出多个夹角的切线，将切线与X轴的交点所形成的区间作为辅助参数，选定其中最小的区间来定量确定岩石的长期强度参数区间。
技术方案：本发明提供了一种基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，取岩芯试样加工成标准圆柱形试样，对标准圆柱形试样进行三轴流变力学特性试验，通过得到的稳态流变阶段的流变速率拟合出稳态流变速率曲线，并以0°～90°为夹角区间，每隔10°对岩石稳态流变速率曲线作一条切线得到各条切线与横轴的交点所形成的区间，选择区间范围最小且稳态流变速率的拐点所在的区间，则该区间的偏应力值即为岩石长期强度参数区间。
由于环向流变速率更能反应岩样的流变特性且曲线转折点明显，取环向流变速率作为稳态流变速率的研究对象，得到环向稳态流变速率曲线。
进一步，所述岩芯要求完好、无破损，加工时不破坏岩样原始的内部结构。
进一步，所述三轴流变力学特性试验的围压取岩石在实际工程中所受的应力值，采取分级加载的方法：在岩石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性试验，得到瞬时峰值强度，流变试验的初始加载水平取瞬时试验峰值强度的55％～65％，随后每级加载瞬时峰值强度的3％～5％，取整数值，每级流变时间不少于50小时，直至岩样发生流变破坏。
典型岩样流变试验将包含初期衰减流变、稳态流变和加速流变三个阶段。每级加载初期，岩样的变形会随着时间呈现衰减特性，即为初期衰减流变阶段。随后，岩样会表现为匀速稳态的流变特性，即为稳态流变。在稳态流变阶段，岩石的变形既可以逐渐趋于收敛，一般每级流变时间不少于50小时，以保证岩样的变形趋于稳定，此时可进行下一级加载；也可能发展为加速流变阶段并最终破坏。
岩石的稳态流变阶段特性决定岩样是否会发生破坏，其基本特征可表现为稳态流变速率，故岩石稳态流变阶段的流变速率可以有效的研究岩石的长期强度参数。岩石的稳态流变阶段特性的基本特征可表现为稳态流变速率。将岩石流变各级加载阶段进行初期衰减流变和稳态流变阶段的划分，对各加载等级的稳态流变阶段的流变速率进行均值计算，得到稳态流变速率，其中，最后一级流变阶段还要剔除加速流变阶段的变形数据来计算稳态流变速率。
进一步，以各加载等级的偏应力值为横坐标数据，稳态流变速率为纵坐标数据，将各流变等级计算的环向流变速率在平面坐标系中进行指数函数的拟合，得到环向稳态流变速率曲线，平面坐标系横轴为偏应力(σ1－σ3)/MPa，其中σ1/MPa为流变试验的轴压，σ3/MPa为流变试验的围压；纵轴Y轴为环向稳态流变速率
有益效果：本发明将岩石流变力学特性试验的稳态流变速率曲线的切线与X轴的交点所形成的区间引入，通过控制切线夹角的大小来确定拐点所在的岩石长期强度参数区间，能够克服传统的应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率方法在流变特性不明显的岩样中拐点模糊的问题，可以通过切线定量地确定岩石长期强度参数的具体区间数值，用切线与坐标轴的区间来表征岩石长期强度参数的区间，对准确评价岩石的长期稳定性问题具有参考价值。
附图说明
图1为本实施例岩样的岩石流变力学特性试验曲线图；
图2为本发明方法确定岩石长期强度参数区间示意图；
图3为本实施例岩样确定长期强度参数区间的曲线图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：本发明通过岩石试样的流变力学特性试验得到其流变力学特性试验曲线和数据，通过对各级加载阶段的稳态流变速率计算，利用指数函数拟合出稳态流变速率曲线，再对岩石稳态流变速率曲线作出多个夹角α的切线，来定量确定岩石的长期强度参数区间。
本实施例的具体实施步骤如下：
①利用取芯钻具获取地下岩石洞库的花岗片麻岩岩芯试样，选取完好的、无破损的岩芯试样加工成高度为100mm、直径为50mm的标准圆柱形试样，制备过程要求不破坏岩样的内部结构。
②将制备好的岩样放入岩石三轴流变试验仪上，取围压(σ3/MPa)为地下洞库中岩石所受实际地应力值4MPa，采取分级加载的方法进行三轴流变力学特性试验；在岩石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性试验，得到其峰值强度为213.22MPa，取流变试验的初始加载水平为瞬时强度的56％，取整后即为120.00MPa；随后每级加载瞬时峰值强度的5％，取整后即为10.00MPa；每级流变时间为72小时，以保证岩样的变形趋于稳定，再进行下一级加载，直至第5级加载后，岩样在流变40小时后发生加速流变现象，最终发生流变破坏。如图1所示，图中ε1为岩石的轴向应变、ε3为岩石的环向应变、εv为岩石的体积应变、t/h为岩石的流变时间参数。
③通过三轴流变试验数据，将各加载等级的稳态流变阶段速率进行均值计算，得到岩石各加载等级的稳态流变速率，由于环向流变速率更能反应岩样的流变特性，故取环向流变速率作为稳态流变速率的研究对象，如图2所示，以各加载等级的偏应力值为横坐标数据，稳态流变速率为纵坐标数据，将各流变等级计算的环向稳态流变速率在平面坐标系中进行指数函数的拟合，得到环向稳态流变速率曲线，平面坐标系横轴(X轴)为偏应力((σ1－σ3)/MPa)，其中(σ1/MPa)为流变试验的轴向压力，(σ3/MPa)为流变试验的围压；纵轴(Y轴)为环向稳态流变速率
④对岩石稳态流变速率曲线作与X轴成多个夹角α的切线，夹角α为锐角，故以0°～90°为夹角区间，每10°作一条切线(每10°作出的切线与X轴交点得到的长期强度区间不超过5MPa，完全满足工程中对于长期强度的要求)，其中α＝0°切线与X轴平行，α＝90°切线无意义，故舍去α＝0°和α＝90°两个夹角的切线。图2中1～8即为α＝10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°的8条切线，其与X轴交点依次为A、B、C、D、E、F、G、H，并作x＝A、B、C、D、E、F、G、H等8条直线，与稳态流变速率曲线相交，将稳态流变速率曲线分为AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH等区间。
⑤对AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH等区间观察，可以看出岩样的稳态流变速率曲线拐点位于EF段范围内，同时EF段区间范围最小，即夹角α＝50°～60°，故图3中偏应力值(σ1－σ3)＝146.40～148.20MPa为该花岗片麻岩的长期强度参数区间。
Claims (6)
1.一种基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：取岩芯试样加工成标准圆柱形试样，对标准圆柱形试样进行三轴流变力学特性试验，通过得到的稳态流变阶段的流变速率拟合出稳态流变速率曲线，并以0°～90°为夹角区间，每隔10°对岩石稳态流变速率曲线作一条切线得到各条切线与横轴的交点所形成的区间，选择区间范围最小且稳态流变速率的拐点所在的区间，则该区间的偏应力值即为岩石长期强度参数区间。
2.根据权利要求1所述的基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：取环向流变速率作为稳态流变速率的研究对象，得到环向稳态流变速率曲线。
3.根据权利要求1所述的基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：所述岩芯要求完好、无破损，加工时不破坏岩样原始的内部结构。
4.根据权利要求1所述的基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：所述三轴流变力学特性试验的围压取岩石在实际工程中所受的应力值，采取分级加载的方法：在岩石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性试验，得到瞬时峰值强度，流变试验的初始加载水平取瞬时试验峰值强度的55％～65％，随后每级加载瞬时峰值强度的3％～5％，取整数值，每级流变时间不少于50小时，直至岩样发生流变破坏。
5.根据权利要求4所述的基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：将岩石流变各级加载阶段进行初期衰减流变和稳态流变阶段的划分，对各加载等级的稳态流变阶段的流变速率进行均值计算，得到稳态流变速率，其中，最后一级流变阶段剔除加速流变阶段的变形数据来计算稳态流变速率。
6.根据权利要求1所述的基于稳态流变速率切线的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：将各流变等级计算的环向流变速率在平面坐标系中进行指数函数的拟合，得到环向稳态流变速率曲线，平面坐标系横轴为偏应力(σ1－σ3)/MPa，其中σ1/MPa为流变试验的轴压，σ3/MPa为流变试验的围压；纵轴Y轴为环向稳态流变速率
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