CN107084886A - 一种确定岩石有效应力系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种确定岩石有效应力系数的方法，包括以下步骤：准备试验岩样，测量岩样尺寸并记录；将岩样装入三轴伺服仪的压力室，加载围压至预定值，然后保持围压恒定加载偏压，偏压加载至设定值后卸载，卸载完成后，保持偏压和围压恒定，进行孔隙水压力加卸载；重复上一步骤，加载偏压至岩样发生破坏；绘制不同围压下卸载偏压增量与轴向/环向应变增量的关系曲线，对该曲线进行数据拟合，得到与偏压等级相关的有效弹性模量E1和泊松比v31；通过公式计算出岩样的轴向有效应力系数和环向有效应力系数。该方法获得的有效应力系数精确可靠，可应用于实际工程渗流应力耦合数值计算，大大提供了计算精度，降低了分析误差。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学领域，具体涉及一种确定岩石有效应力系数的方法。
背景技术
岩体渗流场与应力场相互耦合作用对工程的稳定性与安全性具有重要意义。高坝建设过程中，高边坡及地下洞室的开挖引起坝址区原有应力场发生改变，运行期内蓄水抬高上游库水位，改变坝址区内原有渗流场，使坝基及坝肩岩体受到应力场与渗流场的影响。岩体在外力荷载作用下会产生变形，导致岩体中存在的裂隙、孔隙张开或闭合，裂隙岩体的渗流特性发生改变；水在岩体中发生渗流时，产生渗透压力，岩体所处应力场发生改变，引起岩体裂隙面变形规律发生变化。其渗流特性及力学特性与高坝坝体与周围岩石高边坡工程的安全性紧密相关。1959年法国马尔巴塞拱坝溃决，1963年意大利瓦里昂拱坝库滑坡，以及同年我国梅山连拱坝发生漏水险情等问题的出现，使人们更加重视对岩体渗流应力耦合作用的研究。
目前研究多孔介质渗流应力耦合问题多采用比奥耦合理论，其中α为孔隙水压力作用面积系数，即有效应力系数或比奥系数，用以描述渗流应力耦合状态，对于岩石问题，其取值范围为0<α<1，由于比奥系数难以测得，在进行岩石工程的渗流应力耦合分析中通常取值为1，使计算分析结果产生较大误差。
因此进行岩石有效应力系数的研究对于岩石工程的渗流应力耦合问题具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种确定岩石有效应力系数的方法，获得的有效应力系数可应用于实际工程渗流应力耦合系数计算，提高岩土工程中考虑应力场与渗流场相互耦合作用的数值模型计算精度。
技术方案：本发明所述的一种确定岩石有效应力系数的方法，包括如下步骤：
(1)准备试验的圆柱体岩样，测量岩样尺寸并记录；
(2)将岩样装入三轴伺服仪的压力室，加载围压至预定值；
(3)保持围压恒定加载偏压，偏压加载至设定值后开始进行卸载，卸载完成后，保持偏压和围压恒定，进行孔隙水压力加卸载；
(4)重复步骤(3)，加载偏压至岩样发生破坏，绘制整个过程中的应力应变关系曲线；
(5)绘制不同围压下卸载偏压增量与轴向/环向应变增量的关系曲线，对该曲线进行数据拟合，得到与偏压等级相关的有效弹性模量E1和有效泊松比v31；
(6)根据有效弹性模量E1和有效泊松比v31确定岩样的轴向有效应力系数α11和环向有效应力系数α33。
上述步骤(1)中，测量并记录所述圆柱体岩样的直径和高度，其中，记录的岩样高度为其顶端到底端四个不同位置高度的均值，记录的岩样直径为其顶端、中端、底端与岩样轴向垂直的三处断面的直径的均值。
较优的，步骤(2)中，加载围压过程中，将岩样下部进水口和上部出水口阀门打开，在排水条件下加载围压至预定值。
优选的，步骤(3)中，采用位移加载方式加载偏压，加载速率为0.002mm/min～0.02mm/min。
进一步的，本步骤中，偏压卸载速率和加载速率相同，在卸载偏压过程中，围压和孔隙水压力保持不变，直至偏压卸载至预定值。
更进一步的，孔隙水压力的加载速率为0.02MPa/min～0.05MPa/min，孔隙水压力加载至设定值后，按0.02MPa/min～0.05MPa/min的速率进行孔隙水压力卸载，将岩样内部水排出，卸载孔隙压力至初始值。
上述步骤(4)中，应力应变曲线达到峰值时即为岩样发生破坏时。
具体的，步骤(5)中，有效弹性模量E1为岩样弹性变形阶段其卸载偏压增量与轴向/环向应变增量关系曲线拟合直线的斜率，有效泊松比v31为岩样弹性变形阶段环向应变与轴向应变的绝对值的比值。
步骤(6)中，轴向有效应力系数α11和环向有效应力系数α33可根据下式确定：
其中，，E3＝E1/v31，
式中，E1、E3分别为岩样轴向和环向方向上与介质材料损伤相关的有效弹性模量，v13、v31、v32为与介质材料损伤相关的有效泊松比，且v31＝v32；H1和H3分别为岩样轴向和侧向的水力耦合系数。
其中，水力耦合系数H1、H3的值可通过绘制孔隙水压力与轴向应变/环向应变的关系曲线、并对该曲线进行拟合得到，其中，H1为孔隙水压力与轴向应变关系曲线拟合直线的斜率，H3为孔隙水压力与环向应变关系曲线拟合直线的斜率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明将岩石置于三轴渗流流变系统中，通过偏压加卸载试验与孔隙水压力加卸载试验，利用岩石在加卸载过程中应力应变关系，获得不同围压和不同偏压等级下的有效应力系数，该方法获得的有效应力系数精确可靠，可应用于实际工程渗流应力耦合数值计算，提高了岩土工程中考虑应力场与渗流场相互耦合作用的数值模型计算精度，大大降低了分析误差，计算结果更加准确可信。
附图说明
图1为5MPa围压下，循环加卸载偏压和孔压时试验岩样各方向的应力应变曲线；
图2为10MPa围压下，循环加卸载偏压和孔压时试验岩样各方向的应力应变曲线；
图3为15MPa围压下，循环加卸载偏压和孔压时试验岩样各方向的应力应变曲线；
图4为5MPa围压下，试验岩样的卸载偏压增量-轴向/环向应变增量曲线；
图5为10MPa围压下，试验岩样的卸载偏压增量-轴向/环向应变增量曲线；
图6为15MPa围压下，试验岩样的卸载偏压增量-轴向/环向应变增量曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种确定岩石有效应力系数的方法，包括如下步骤：
(1)准备试验岩样，进行考虑渗透水压作用的三轴渗流-应力耦合试验；
本步骤中，需测量并记录岩样的尺寸；岩样一般选取圆柱样，需测量的岩样尺寸包括岩样的高度和直径。为减小测量误差，岩样高度取顶端到底端四个不同位置高度的均值，对于岩样直径，分别测量顶端、中端、底端与岩样轴向垂直的三处断面的直径，取均值作为制样的最终直径。
(2)将岩样装入三轴伺服仪的压力室，加载围压至预定值；
采用岩石全自动三轴伺服仪，加载围压过程中，将岩样下部进水口和上部出水口阀门打开，在排水条件下加载围压至预定值。
(3)保持围压恒定加载偏压，偏压加载至设定值后开始进行卸载，卸载完成后，保持偏压和围压恒定，进行孔隙水压力加卸载；
保持围压恒定，采用位移加载方式加载偏压，加载速率为0.002mm/min～0.02mm/min；当偏压加载至设定值后，保持围压和孔隙水压力不变，卸载偏压，偏压卸载速率和加载速率相同，卸载阶段是弹性的，卸载过程不产生新的损伤。
偏压卸载至预定值后，保持偏压和围压恒定，加载空隙水压力，为避免岩样在孔压加载过程中产生新的裂纹，以0.02MPa/min～0.05MPa/min的加载速率加载孔隙水压力，孔隙水压力加载至设定值后，按0.02MPa/min～0.05MPa/min的速率进行孔隙水压力卸载，将岩样内部水排出，卸载孔隙压力至初始值。完成第一级的偏压孔压加卸载。
(4)重复步骤(3)，加载偏压至岩样发生破坏，绘制整个过程中的应力应变关系曲线；
重复步骤(3)的方法，进行第二级、…、第N级的偏压孔压加卸载，直至岩样发生破坏。加卸载过程中可实时记录岩样的应力和应变数据，整理试验数据，绘制偏压加载过程中岩样的应力应变关系曲线，当曲线达到峰值时，代表岩样发生破坏。
通过变换初始围压，重复步骤(2)～(4)可得到不同围压下偏压加卸载过程中岩样的应力应变关系曲线。
(5)根据上述步骤所得的实验数据，可绘制不同围压下卸载偏压增量(Δσ＝σ-σ0)与轴向/环向应变增量(Δε＝ε-ε0)的关系曲线，对该曲线进行数据拟合，得到与偏压等级相关的有效弹性模量E1和有效泊松比v31；
其中，有效弹性模量E1为岩样弹性变形阶段其卸载偏压增量与轴向/环向应变增量关系曲线拟合直线的斜率；在弹性变形阶段，环向应变与轴向应变的比值基本保持不变，有效泊松比v31为岩样弹性变形阶段环向应变与轴向应变的绝对值的比值。
(6)根据有效弹性模量E1和有效泊松比v31确定岩样的轴向有效应力系数和环向有效应力系数。
轴向有效应力系数α11和环向有效应力系数α33可根据下式确定：
其中，E3＝E1/v31，
式中，参数的两角标i、j可为1、2、3，对于室内试验圆柱形试样，角标i、j为1时代表轴向，2和3时代表环向。其中，E1、E3为岩样轴向和环向方向上与介质材料损伤相关的有效弹性模量；v13、v31、v32为与介质材料损伤相关的有效泊松比，由于材料具有横观各项同性特征，v31＝v32。
Hi为岩样的水力耦合系数，可以由试验中记录的变形和孔隙水压力关系求取，可通过绘制孔隙水压力与轴向应变/环向应变的关系曲线、并对该曲线进行拟合得到，其中，H1取孔隙水压力与轴向应变关系曲线拟合直线的斜率，H3取孔隙水压力与环向应变关系曲线拟合直线的斜率。
实施例
以角砾熔岩为试验岩样进行循环加卸载试验，具体加载方案见下表1。
表1角砾熔岩加卸载试验方案
确定角砾熔岩有效应力系数的方法包括以下步骤：
步骤1：准备试验所需角砾熔岩试样，试样为Φ50mm×100mm的标准圆柱体岩样，测量试样尺寸，并对试样进行编号，如表2；
步骤2：将角砾熔岩岩样装入压力室，分别加载围压至5MPa、10MPa和15MPa后，保持围压，进行不同偏应力条件下的循环加卸载试验，将偏应力加载至表1所示的设定值后开始进行卸载；偏应力卸载完成后，进行孔隙水压力加卸载试验；
步骤3：孔隙水压力卸载至设定值后，继续施加下一级偏应力，重复进行偏应力、孔隙水压力加卸载试验，直至岩样破坏；
步骤4：整理试验数据，各试样的物理力学参数如下表2，绘制三个围压下角砾熔岩岩样的应力应变关系曲线，如图1～3，其中，左侧的曲线代表环向应力-应变曲线，中间的代表体积-应力应变曲线，右侧的曲线代表轴向应力-应变曲线。
表2循环加卸载试验角砾熔岩的力学参数
步骤5：绘制各围压下卸载偏压增量(Δσ＝σ-σ0)与轴向/环向应变增量(Δε＝ε-ε0)关系曲线，如图4～6，每一级卸载对应应力增量-轴向应变和偏压增量-环向应变两条曲线，其中，纵坐标左侧为轴向应力增量-轴向应变增量曲线，纵坐标右侧为环向应力增量-环向应变增量曲线。
对图4～6的曲线进行数据拟合，得到与偏压等级相关的有效弹性模量E1和有效泊松比v31，各级围压下的卸载试验弹性参数见表3～5。
表3围压5MPa偏压循环加卸载试验变形参数
表4围压10MPa偏压循环加卸载试验变形参数
表5围压15MPa偏压循环加卸载试验变形参数
步骤6：把试验所得到的有效弹性模量E1、有效泊松比v31、水力耦合系数Hi等参数代入有效应力计算公式，得到不同围压下各级偏压下的比奥系数，如下表6。
表6角砾熔岩玄武岩比奥系数试验结果
Claims (10)
1.一种确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备试验的圆柱体岩样，测量岩样尺寸并记录；
(2)将岩样装入三轴伺服仪的压力室，加载围压至预定值；
(3)保持围压恒定加载偏压，偏压加载至设定值后开始进行卸载，卸载完成后，保持偏压和围压恒定，进行孔隙水压力加卸载；
(4)重复步骤(3)，加载偏压至岩样发生破坏，绘制整个过程中的应力应变关系曲线；
(5)绘制不同围压下卸载偏压增量与轴向/环向应变增量的关系曲线，对该曲线进行数据拟合，得到与偏压等级相关的有效弹性模量E1和有效泊松比v31；
(6)根据有效弹性模量E1和有效泊松比v31确定岩样的轴向有效应力系数α11和环向有效应力系数α33。
2.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(1)中，测量并记录所述圆柱体岩样的直径和高度，其中，记录的岩样高度为其顶端到底端四个不同位置高度的均值，记录的岩样直径为其顶端、中端、底端与岩样轴向垂直的三处断面的直径的均值。
3.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(2)中，加载围压过程中，将岩样下部进水口和上部出水口阀门打开，在排水条件下加载围压至预定值。
4.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用位移加载方式加载偏压，加载速率为0.002mm/min～0.02mm/min。
5.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(3)中，偏压卸载速率和加载速率相同，在卸载偏压过程中，围压和孔隙水压力保持不变，直至偏压卸载至预定值。
6.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(3)中，孔隙水压力的加载速率为0.02MPa/min～0.05MPa/min，孔隙水压力加载至设定值后，按0.02MPa/min～0.05MPa/min的速率进行孔隙水压力卸载，将岩样内部水排出，卸载孔隙压力至初始值。
7.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述应力应变曲线达到峰值时即为岩样发生破坏时。
8.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述有效弹性模量E1为岩样弹性变形阶段其卸载偏压增量与轴向/环向应变增量关系曲线拟合直线的斜率，有效泊松比v31为岩样弹性变形阶段环向应变与轴向应变的绝对值的比值。
9.根据权利要求1所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，所述轴向有效应力系数α11和环向有效应力系数α33根据下式确定：
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其中，E3＝E1/v31，
式中，E1、E3分别为岩样轴向和环向方向上与介质材料损伤相关的有效弹性模量，v13、v31、v32为与介质材料损伤相关的有效泊松比，且v31＝v32；H1和H3分别为岩样轴向和侧向的水力耦合系数。
10.根据权利要求9所述的确定岩石有效应力系数的方法，其特征在于，所述水力耦合系数H1、H3的值可通过绘制孔隙水压力与轴向应变/环向应变的关系曲线、并对该曲线进行拟合得到，其中，H1为孔隙水压力与轴向应变关系曲线拟合直线的斜率，H3为孔隙水压力与环向应变关系曲线拟合直线的斜率。
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