CN107063900B - 一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，包括：环刀原状样的制备；确定上覆压力p i，烘干‑浸水崩解；直剪试验的试样采用浸液饱和法处理，进行直剪试验；直剪试验的数据处理：以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力；确定损伤后泥质软岩的强度稳定值。本方法既考虑了干湿循环效应的影响，同时也考虑了泥质岩的裂隙开展引起强度损失的影响。烘干‑浸水的干湿循环效应模拟了岩石所处水环境的长期作用；崩解过程中上覆压力均模拟了泥质岩在现场处于围岩应力环境。
Description
技术领域
本发明公开岩石强度测试方法，具体涉及一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法。
背景技术
评价岩石崩解性一般方法是耐崩解性试验。耐崩解性试验由Franklin andChandra建立，后由国际岩石力学学会(ISRM)纳入标准岩石试验方法中。耐崩解性试验的优点为：(1)可对同一试样进行多次干湿循环，进而提高试验的精确性；(2)耐崩解指数的干湿循环代表试验材料在自然界中所经历的干湿循环；(3)通过多个试验的耐崩解指数数值对比可去除分析中主观因素。并且当天然湿度下不扰动试样的单向抗压强度小于1.0MPa的极软岩也可用土工试验方法测定泥质岩的强度指标。
目前的研究成果已经确定了当前状态的岩石耐崩解性指数与强度的关系，但耐崩解性指数只能表明岩石目前状态的强度特征。岩石在进行耐崩解性试验过程中，无法测试岩石干湿循环影响条件下强度变化规律。这与岩石耐崩解性指数是在零应力状态下进行干湿循环崩解试验过程有关。同时在常规土工试验中，试样饱和过程中只是体积不变，没有考虑应力条件的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，可以测试因长期环境水分变化引发的损伤后泥质软岩的强度稳定值。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，包括以下步骤：
(1)环刀原状试样的制备；
(2)烘干-浸水崩解：确定上覆压力pi，并将环刀原状试样烘干，然后将烘干环刀试样置于膨胀仪中；施加设计上覆压力pi试验荷载值后采用浸水崩解法，试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，按一定时间顺序测记试样的高度变化；
(3)重复烘干-浸水崩解步骤，直至干湿循环次数为Nj；
(4)直剪试验：经过重复烘干-浸水崩解步骤的试样先采用浸液饱和法进行处理，然后进行直剪试验，直剪试验中以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切,试样每产生剪切位移0.2～0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为4mm时停机；
(5)直剪试验的数据处理：剪应力应按下式计算：
式中τ—试样所受的剪应力，kPa；R—测力计量表读数，0.01mm；C—测力计率定系数，N/0.01mm；A0—试样的初始断面积，cm2；10—单位换算系数。以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线；取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度τi,j,k；i,j,k分别指崩解上覆压力，干湿循环次数和剪切上覆垂直压力的对应编号；
以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力ci,j；i,j分别指崩解上覆压力，干湿循环次数的对应编号；
(6)确定损伤后泥质软岩的强度稳定值；鉴于损伤演变曲线近似为双曲线，故用双曲线拟合，即式中y为强度指标参数，分别取与N对应的粘聚力ci,j,内摩擦角N为崩解上覆设计压力下所进行的干湿循环次数，拟合后，即为强度稳定参数值。a为与干湿循环次数变化对应的变量。
步骤(2)中，施加设计上覆压力pi试验荷载值后采用1小时浸水崩解法，即放置于平底盆内，液面环刀高度的1/4时维持10min，1/2时维持10min，3/4时维持10min，直到保持液面略低于环刀顶面，维持30min；试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，按下列时间顺序测记试样的高度变化，时间为6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min为止，即一次干湿循环崩解过程完成。步骤(2)中，置于烘箱以105℃烘8小时，然后将烘干环刀原状样置于有压膨胀仪中。
步骤(4)中，经过反复烘干-浸水崩解处理的试样采用浸液饱和法进行处理：放置于平底盆内，液面环刀高度每1/4半时维持2小时，直到保持液面略低于环刀顶面，维持10小时。采用浸液饱和法进行处理后，再进行直剪试验。
步骤(1)中，现场取块状岩样后，通过角磨机或磨石机切削成泥质软岩环刀原状样。
一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，具体说明如下：
第一步：针对泥质软岩对环境湿度变化敏感，在水分变化时泥质岩易发生开裂、膨胀崩解等的工程特点，利用随干湿循环次数增加，裂隙发育加剧，膨胀崩解，泥质软岩的抗剪强度参数在减小的规律，发明了本方法，既考虑了干湿循环效应的影响，同时也考虑了泥质岩的裂隙开展引起强度损失的影响。该方法是针对抗压强度小于1MPa，具有强崩解性泥质岩。为此本发明的特点为：(1)烘干-浸水的干湿循环效应模拟了岩石所处水环境的长期作用；(2)崩解过程中上覆压力均模拟了泥质岩在现场处于围岩应力环境。
第二步：试验过程中上覆压力的确定。泥质岩的强度与上覆压力或者深度相关，即随着泥质岩深度加大，上覆压力增大，泥质岩强度增大且受湿度变化影响减弱。因此泥质岩强度也应考虑上覆压力的影响。泥质软岩边坡破坏一般不深，滑动面深均小于10m，为此强度直剪试验及烘干-浸水的干湿循环崩解时上覆压力均不宜过大，压力等级宜为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa等。
第三步，试验步骤。(1)环刀原状样的制备。现场取块状岩样后，通过角磨机、磨石机等切削成与环刀直径相同的圆柱样，然后用内壁涂抹凡士林的环刀套入圆柱样，将两侧多出的岩样切掉，即可制成泥质软岩环刀原状样。环刀直径为61.8mm，高度为20mm。试样数量决定于参数线性回归点数，但不少于3个点。以最少回归点计，试样为9组36个，见表1，编号(i,j,k),i＝1-3,j＝1-3,k＝1-4；
表1线性回归点数为3时试样数目
(2)烘干-浸水崩解：将环刀试样置于烘箱以105℃烘8小时，然后将烘干环刀试样置于有压膨胀仪中。然后采用1小时浸水崩解法，即放置于平底盆内，液面环刀高度的1/4时维持10min，1/2时维持10min，3/4时维持10min，直到保持液面略低于环刀顶面，维持30min。此时试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，施加崩解上覆压力pi后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min为止。即一次干湿循环崩解过程完成；
(3)重复烘干-浸水崩解。进行步骤2，直至干湿循环次数为Nj。Nj取值如表1中干湿循环次数；
(4)试样经过反复烘干-浸水崩解处理后，采用浸液饱和法进行处理：放置于平底盆内，液面环刀高度每1/4半时维持2小时，直到保持液面略低于环刀顶面，维持10小时；
(5)直剪试验的试样安装：安装直剪仪器，并在剪切下盒及试样上放滤纸和透水板，将试样小心地推入剪切盒内；
(6)直剪试验的上覆压力安装。移动传动装置对剪切盒施加剪切上覆垂直压力，并调试，直至试样固结变形稳定，变形稳定标准为每小时不大于0.005mm；
(7)直剪试验。以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切,试样每产生剪切位移0.2～0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为4mm时停机；
(8)直剪试验的数据处理。剪应力应按下式计算：
式中—试样所受的剪应力，kPa；R—测力计量表读数，0.01mm；C—测力计率定系数，N/0.01mm；A0—试样的初始断面积，cm2；10—单位换算系数；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线。取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度τi,j,k；i,j,k分别指崩解上覆压力，干湿循环次数和剪切上覆垂直压力的对应编号；
以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力ci,j；i,j分别指崩解上覆压力，干湿循环次数的对应编号；
(9)确定损伤后泥质软岩的强度稳定值。鉴于损伤演变曲线近似为双曲线，故可用双曲线拟合，即式中y为强度指标参数，分别取与N对应的粘聚力ci,j,内摩擦角Nj为崩解上覆设计压力下所进行的干湿循环次数，拟合后，即为强度稳定参数值的。a为与干湿循环次数变化对应的变量；
相对于现有技术，本发明的有益效果为：既考虑了干湿循环效应的影响，同时也考虑了泥质岩的裂隙开展引起强度损失的影响。烘干-浸水的干湿循环效应模拟了岩石所处水环境的长期作用；崩解过程中上覆压力均模拟了泥质岩在现场处于围岩应力环境。
附图说明
图1本发明方法流程图
图2本发明的强度指标变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明使用的岩性特点是：
泥质软岩的工程特点是对环境湿度变化敏感，在水分变化时泥质岩易发生开裂、膨胀崩解等。相应地随干湿循环次数增加，裂隙发育加剧，膨胀崩解，泥质软岩的抗剪强度参数在减小。因而本试验考虑了干湿循环效应的影响，同时也考虑了泥质岩的裂隙开展引起强度损失的影响。
泥质岩的强度与上覆压力或者深度相关，即随着泥质岩深度加大，上覆压力增大，泥质岩强度增大且受湿度变化影响减弱。因此泥质岩强度也应考虑上覆压力的影响。另外，泥质软岩边坡破坏一般不深，滑动面深均小于10m，因此强度直剪试验及烘干-浸水的干湿循环崩解时上覆压力均不宜过大，压力等级宜为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa等。
该方法适用于具有强崩解性泥质岩，抗压强度小于1MPa，可用来评价泥质岩边坡长期稳定性。原因是本发明的技术要求：(1)烘干-浸水的干湿循环效应模拟了岩石所处水环境的长期作用；(2)本发明技术要求：崩解过程中上覆压力均模拟了泥质岩在现场处于围岩应力环境。
根据图1，试验步骤：(1)环刀原状样的制备。现场取块状岩样后，通过角磨机、磨石机等切削成与环刀直径相同的圆柱样，然后用内壁涂抹凡士林的环刀套入圆柱样，将两侧多出的岩样切掉，即可制成泥质软岩环刀原状样。环刀直径为61.8mm，高度为20mm。试样数量决定于参数线性回归点数，但不少于3个点。以最少回归点计，试样为9组36个，见表1，编号(i,j,k),i＝1-3,j＝1-3,k＝1-4；
表1线性回归点数为3时试样数目
(2)烘干-浸水崩解。将环刀试样置于烘箱以105℃烘8小时，然后将烘干环刀原状样置于有压膨胀仪中。然后施加设计上覆压力pi试验荷载值，采用1小时浸水崩解法，即放置于平底盆内，液面环刀高度的1/4时维持10min，1/2时维持10min，3/4时维持10min，直到保持液面略低于环刀顶面，维持30min。此时试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，宜按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min为止。即一次干湿循环崩解过程完成；
(3)重复烘干-浸水崩解。进行步骤2，直至干湿循环次数，干湿循环次数取值如表1所示；
(4)直剪试验的试样采用浸液饱和法。放置于平底盆内，液面环刀高度每1/4半时维持2小时，直到保持液面略低于环刀顶面，维持10小时；
(5)直剪试验的试样安装。安装直剪仪器，并在剪切下盒及试样上放滤纸和透水板,将试样小心地推入剪切盒内；
(6)直剪试验的上覆压力安装。移动传动装置对剪切盒施加剪切上覆垂直压力，并调试，直至试样固结变形稳定,变形稳定标准为每小时不大于0.005mm；
(7)直剪试验。以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切,试样每产生剪切位移0.2～0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时应剪切至剪切位移为时停机；
(8)直剪试验的数据处理。剪应力应按下式计算：
式中τ—试样所受的剪应力，kPa；R—测力计量表读数，0.01mm；C—测力计率定系数，N/0.01mm；A0—试样的初始断面积，cm2；10—单位换算系数；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线。取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度τi,j,k；i,j,k分别指崩解上覆压力，干湿循环次数和剪切上覆垂直压力的对应编号；
以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力ci,j；i,j分别指崩解上覆压力，干湿循环次数的对应编号；
(9)确定损伤后泥质软岩的强度稳定值。对于鉴于损伤演变曲线近似为双曲线，故可用双曲线拟合，即式中y为强度指标参数，分别取与N对应的粘聚力ci,j,内摩擦角Nj为崩解上覆设计压力下所进行的干湿循环次数，拟合后，即为强度稳定参数值。a为与干湿循环次数变化对应的变量。
实例分析
在引江济淮试验工程现场取泥质砂岩环刀原状样32个，分为二组，每组12个环刀原状样。一组保持天然含水率14.4％不变，一组在100℃温度下烘干1次。每种含水率的12个环刀原状样分为4组，每组3个，分别在0kPa、25kPa、50kPa下浸水至饱和状态，然后将试验后的试样进行直剪试验，得到相应的粘聚力和内摩擦角。
如图2，基本变化规律是随着崩解时上覆压力的增大，粘聚力衰减快速减小，而崩解作用对内摩擦角影响不显著。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)环刀原状试样的制备；
(2)烘干-浸水崩解：确定上覆压力pi，并将环刀原状试样烘干，然后将烘干环刀原状试样置于膨胀仪中；施加设计上覆压力pi试验荷载值后采用浸水崩解法，试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，按一定时间顺序测记试样的高度变化；
(3)重复烘干-浸水崩解步骤，直至干湿循环次数为Nj；
(4)直剪试验：经过重复烘干-浸水崩解步骤的试样先采用浸液饱和法进行处理，然后进行直剪试验，直剪试验中以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切,试样每产生剪切位移0.2～0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为4mm时停机；
(5)直剪试验的数据处理：剪应力应按下式计算：
式中τ—试样所受的剪应力，kPa；R—测力计量表读数，0.01mm；C—测力计率定系数，N/0.01mm；A0—试样的初始断面积，cm2；10—单位换算系数；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线；取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度τi,j,k；i,j,k分别指崩解上覆压力，干湿循环次数和剪切上覆垂直压力的对应编号；
以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力ci，j；i,j分别指崩解上覆压力，干湿循环次数的对应编号；
(6)确定损伤后泥质软岩的强度稳定值；鉴于损伤演变曲线近似为双曲线，故用双曲线拟合，即式中y为强度指标参数，分别取与N对应的粘聚力ci，j,内摩擦角N为崩解上覆设计压力下所进行的干湿循环次数，拟合后，即为强度稳定参数值；a为与干湿循环次数变化对应的变量；
在强度直剪试验及烘干-浸水的干湿循环崩解时上覆压力不宜过大，压力等级为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa。
2.根据权利要求1所述的基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，步骤(2)中，施加设计上覆压力pi试验荷载值后采用1小时浸水崩解法，即放置于平底盆内，液面环刀高度的1/4时维持10min，1/2时维持10min，3/4时维持10min，直到保持液面略低于环刀顶面，维持30min；试样即产生膨胀崩解，测读膨胀变形时，按下列时间顺序测记试样的高度变化，时间为6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min为止，即一次干湿循环崩解过程完成。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，步骤(2)中，置于烘箱以105℃烘8小时，然后将烘干环刀原状样置于有压膨胀仪中。
4.根据权利要求1所述的一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，步骤(3)中直剪试验的试样先采用浸液饱和法进行处理：放置于平底盆内，液面环刀高度每1/4半时维持2小时，直到保持液面略低于环刀顶面，维持10小时。
5.根据权利要求1所述的一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，既考虑了干湿循环效应的影响，同时也考虑了泥质岩的裂隙开展引起强度损失的影响；
烘干-浸水的干湿循环效应模拟了岩石所处水环境的长期作用；
崩解过程中上覆压力模拟了泥质岩在现场处于围岩应力环境。
6.根据权利要求1所述的一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，步骤(1)中，现场取块状岩样后，通过角磨机或磨石机切削成原状泥质软岩环刀原状样。
7.根据权利要求1所述的一种基于应力约束及崩解损伤的泥质软岩强度测试方法，其特征在于，直剪试验前，先安装试样，并确定上覆压力；安装试样的步骤为：安装直剪仪器，并在剪切下盒及试样上放滤纸和透水板，将试地推入剪切盒内；直剪试验的上覆压力确定步骤为：对剪切盒施加剪切上覆垂直压力，并调试，直至试样固结变形稳定，变形稳定标准为每小时不大于0.005mm。
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