CN107907409B - 一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备 - Google Patents

一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备，其方法包括：确定裂纹损伤应力；计算岩样从初始加载至所述裂纹损伤应力之间的相对压缩应变和同一轴向应力时的相对压缩应变差；绘制相对压缩应变差‑轴向应力关系曲线；确定裂纹起裂应力。一种确定岩石起裂应力的设备及存储设备，用于实现基于相对压缩应变确定岩石起裂应力的方法。本发明根据绘制的相对压缩应变差‑轴向应力关系曲线，能够确切的得到相对压缩应变差‑轴向应力关系曲线的峰值点，从而确定峰值点对应的轴向应力，即裂纹起裂应力，对于描述岩石的力学性质、确定岩石的强度准则、理解岩石的渐进破坏过程及预测岩石开挖工程中常见的劈裂现象具有重要意义。

Description

一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及岩石性能测试领域，尤其涉及一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备。
背景技术
岩石的变形破坏过程是一种伴随着微裂纹的生长、扩展和贯通的渐进破坏的过程。它主要分为八个阶段：裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定增长阶段、裂纹不稳定增长阶段、峰后变形阶段和残余变形阶段。这些阶段的划分与几个重要的应力门槛值相关，分别是裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力、峰值应力和残余应力。因此，准确的确定起裂应力对于描述岩石的力学性质、确定岩石的强度准则、理解岩石的渐进破坏过程及预测岩石开挖工程中常见的劈裂现象具有重要意义。
目前为止，国际上还尚未形成明确的建议方法来确定岩石在压缩条件下的起裂应力。在以往的研究中，确定岩石的起裂应力的方法主要依靠于测量应变，包括体积应变、轴向应变、横向应变，有时也采用声发射的方法确定起裂应力。这些方法主要包括体积应变法、横向应变法、裂纹体积应变法、累计声发射切线法和横向应变响应法。体积应变法和横向应变法分别在体积应变-轴向应力关系曲线和横向应变-轴向应力关系曲线上做切线，当曲线偏离线性部分时对应的轴向应力即为岩石的起裂应力，但是，这两种方法均依赖于具有线性特征的应力-应变关系曲线，具有较强的人为主观性，其强烈依赖于用户对此偏离点的肉眼判断；裂纹体积应变法则首先体积应变分为弹性体积应变和裂纹体积应变，然后绘制裂纹体积应变-轴向应力关系曲线，该曲线上裂纹体积应变为零的一水平段被用来确定岩石的裂纹闭合应力和裂纹起裂应力，该水平段的末端对应的轴向应力即为起裂应力。该方法虽然比前两种方法更准确、更客观，但是该方法中弹性参数(弹性模量、泊松比)对起裂应力的确定有重要影响，裂纹体积应变对泊松比的变化十分敏感。当初始岩样内部存在许多微裂纹时，该方法也不适用，这些裂纹将会增加泊松比的不确定性。此外，在确定裂纹体积应变为0的水平段范围时也存在人为随意性；横向应变响应法通过绘制参考横向应变差-轴向应力关系曲线获取横向应变差的最大值点，从而确定岩石的起裂应力。该方法较之前几种方法明显客服了人为主观性的影响，在确定横向应变差的最大值点时也提供了一种较为可靠的数学方法。但是该方法的数学物理意义不明确，并无法解释为何可将横向应变差的最大值点对应的应力看作是岩石的起裂应力；累计声发射切线法通过记录声发射振铃数、撞击数或能量的变化与轴向应力或应变的关系对起裂应力进行识别，但是，声发射信号对岩石破裂的高度敏感性及背景噪声的干扰，岩石在裂隙闭合阶段或弹性阶段也可能出现较强的声发射信号波动，从而影响了对起裂应力的准确识别。
基于上述方法的缺点，有必要提供一种新型的在压缩条件下的岩石起裂应力的确定方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备，主要包括以下步骤：
步骤1：现场钻取完整岩芯；
步骤2：对所述完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩样；
步骤3：在所述岩样中部安装测量仪，并将所述岩样安装在加载压力机的试样台上；
步骤4：加载所述岩样，实时采集轴向应力、轴向应变和横向应变；
步骤5：根据所述轴向应变和横向应变计算得到体积应变；
步骤6：根据所述体积应变、横向应变和轴向应力，绘制体积应变-轴向应力和横向应变-轴向应力关系曲线；
步骤7：根据所述体积应变-轴向应力关系曲线，找出体积应变的最大值点，所述体积应变的最大值点对应的轴向应力，即所述岩样的裂纹损伤应力；
步骤8：根据所述横向应变-轴向应力关系曲线，确定与所述裂纹损伤应力对应的横向应变值；
步骤9：根据所述横向应变值，计算所述岩样从初始加载至所述裂纹损伤应力之间的相对压缩应变；
步骤10：根据所述相对压缩应变，绘制相对压缩应变-轴向应力关系曲线，在所述相对压缩应变-轴向应力关系曲线中，轴向应力为零的点与裂纹损伤应力点连接而成的直线为参考线；
步骤11：根据所述相对压缩-轴向应力关系曲线，得出所述参考线的线性表达式，计算同一轴向应力时，相对压缩应变值与参考应变值之间的相对压缩应变差；
步骤12：根据所述相对压缩应变差和轴向应力，绘制相对压缩应变差-轴向应力关系曲线；
步骤13：所述相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点对应的轴向应力即裂纹起裂应力。
进一步地，在步骤2中，所述岩样的高度与直径比为2:1。
进一步地，在步骤3中，所述测量仪指：轴向应变片和横向应变片或纵向引伸计和横向引伸计。
进一步地，在步骤4中，采用荷载控制模式对所述岩样进行单轴或三轴加载。
进一步地，在步骤4中，由所述测量仪实时采集轴向应力、横向应变和轴向应变。
进一步地，在步骤5中，计算所述体积应变的公式为：εv＝ε1+2ε3，其中，ε1为轴向应变，为正值，ε3为横向应变，为负值。
进一步地，在步骤7中，所述裂纹损伤应力为：岩石内部裂纹开始不稳定扩展时对应的轴向应力。
进一步地，在步骤9中，计算所述相对压缩应变的公式为：
Figure BDA0001464074950000031
其中，ε3为横向应变，
Figure BDA0001464074950000032
为与裂纹损伤应力对应的横向应变值。
一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现所述的一种确定岩石起裂应力的方法。
一种确定岩石起裂应力的设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现所述的一种确定岩石起裂应力的方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明根据绘制的相对压缩应变差-轴向应力关系曲线，能够确切的得到相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点，从而确定峰值点对应的轴向应力，即裂纹起裂应力，对于描述岩石的力学性质、确定岩石的强度准则、理解岩石的渐进破坏过程及预测岩石开挖工程中常见的劈裂现象具有重要意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备的流程图；
图2是本发明实施例中采用的岩石三轴试验系统及轴向应变片和横向应变片的安装位置的示意图；
图3是本发明实施例中不同围压下b2岩石的应力-应变关系曲线示意图；
图4是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(2MPa围压)；
图5是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(8MPa围压)；
图6是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(16MPa围压)；
图7是本发明实施例中不同围压下b4岩石的应力-应变关系曲线示意图；
图8是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b4岩石起裂应力的示意图(2MPa围压)；
图9是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b4岩石起裂应力的示意图(4MPa围压)；
图10是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b4岩石起裂应力的示意图(8MPa围压)；
图11是本发明实施例的硬件设备工作示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种确定岩石起裂应力的方法、设备及存储设备，一种确定岩石起裂应力的方法通过绘制的相对压缩应变差-轴向应力关系曲线，能够确切的得到相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点，从而确定峰值点对应的轴向应力，即裂纹起裂应力；一种确定岩石起裂应力的设备及存储设备，用于实现确定岩石起裂应力的方法。
本发明的实施例为：三轴压缩条件下确定三峡库区巴东县侏罗系巴东组第二段(简称为b2)岩石起裂应力，试验样品为三峡库区巴东县侏罗系巴东组第二段的紫红色泥岩、粉砂质泥岩；三轴压缩条件下确定三峡库区巴东县侏罗系巴东组第四段(简称为b4)岩石起裂应力，试验样品为三峡库区巴东县侏罗系巴东组第四段的紫红色中厚至厚层含钙质粉砂岩、粉砂质泥岩。根据规范将岩石加工成标准试样，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩样，本实施例采用的岩样直径为50mm，高为100mm，并于试验前根据检波器进行声波测试试验，剔除不合格即声波差别较大的岩样。
加载压力机的试样台上设有岩石三轴试验系统，该系统配有伺服控制的全自动三轴加压和测量系统，加载速率设为0.25kN/s，直至岩样破坏，试验结束。
请参考图1，图1是本发明实施例中基于相对压缩应变确定岩石起裂应力的方法的流程图，具体步骤包括：
S101：现场钻取完整岩芯；
S102：对所述完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩样，所述岩样的高度与直径比为2:1；
S103：在所述岩样中部安装测量仪，并将所述岩样安装在加载压力机的试样台上；所述测量仪指：轴向应变片和横向应变片或纵向引伸计和横向引伸计。
S104：加载所述岩样，实时采集轴向应力、轴向应变和横向应变；采用荷载控制模式对所述岩样进行单轴或三轴加载，由所述测量仪实时采集轴向应力、横向应变和轴向应变。
S105：根据所述轴向应变和横向应变计算得到体积应变εv，计算所述体积应变εv的公式为：εv＝ε1+2ε3，其中，ε1为轴向应变，为正值，ε3为横向应变，为负值；
S106：根据所述体积应变、横向应变和轴向应力，绘制体积应变-轴向应力和横向应变-轴向应力关系曲线；
S107：：根据所述体积应变-轴向应力关系曲线，找出体积应变的最大值点，所述体积应变的最大值点对应的轴向应力，即所述岩样的裂纹损伤应力；所述裂纹损伤应力为：岩石内部裂纹开始不稳定扩展时对应的轴向应力；
S108：根据所述横向应变-轴向应力关系曲线，确定与所述裂纹损伤应力对应的横向应变值
Figure BDA0001464074950000061
S109：根据所述横向应变值
Figure BDA0001464074950000062
计算所述岩样从初始加载至所述裂纹损伤应力之间的相对压缩应变，计算所述相对压缩应变的公式为：
Figure BDA0001464074950000063
其中，ε3为横向应变，
Figure BDA0001464074950000064
为与裂纹损伤应力对应的横向应变值；
S110：根据所述相对压缩应变，绘制相对压缩应变-轴向应力关系曲线，在所述相对压缩应变-轴向应力关系曲线中，轴向应力为零的点与裂纹损伤应力点连接而成的直线为参考线；
S111：根据所述相对压缩-轴向应力关系曲线，得出所述参考线的线性表达式，计算同一轴向应力时，相对压缩应变值与参考应变值之间的相对压缩应变差；
S112：根据所述相对压缩应变差和轴向应力，绘制相对压缩应变差-轴向应力关系曲线；
S113：所述相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点对应的轴向应力即裂纹起裂应力。
请参考图2，图2是本发明实施例中采用的岩石三轴试验系统及轴向应变片和横向应变片的安装位置的示意图，1为控制计算机，2为控制柜，3为检波器，4为液压油，5为加载压力机，6为上压头，7为下压头，8为三轴室，9为热缩塑料，10为岩样，11为轴向应变片，12为横向应变片。
试验过程中，首先用热缩塑料9包裹住岩样10，然后将轴向应变片11和横向应变片12安装在套有热缩塑料的岩样表面的中间部分，轴向应变片11垂直放置，横向应变片12水平放置，轴向应变片11与横向应变片12保持垂直；然后，打开三轴室8，将制备好的岩样10放置在下压头7上面；下放三轴室8，使加载装置中的上压头6、下压头7均与岩样10接触；控制计算机1产生输入液压油4的指令，控制柜2将液压油4输入到三轴室8中，用于调节岩样10的围压；然后控制计算机1设置试验的控制方式，并产生压缩指令，控制加载压力机5，对岩样10进行压缩；利用控制计算机1对数据进行采集和处理。
请参考图3，图3是本发明实施例中不同围压下b2岩石的应力-应变关系曲线示意图，13、14、15分别为2MPa围压下、8MPa围压下和16MPa围压下b2岩样轴向应变(ε1)-轴向应力(σ1)关系曲线，16、17、18为不同围压下横向应变(ε3)-轴向应力(σ1)关系曲线，19、20、21为不同围压下体积应变εv-轴向应力σ1关系曲线；22为体积应变-轴向应力关系曲线中找出体积应变的最大值点，该点对应的轴向应力就是岩石的裂纹损伤应力。
请参考图4，图4是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(2MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参考图5，图5是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(8MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参考图6，图6是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(16MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参考图7，图7是本发明实施例中不同围压下b4岩石的应力-应变关系曲线示意图，13、14、15分别为2MPa围压下、4MPa围压下和8MPa围压下b4岩样轴向应变(ε1)-轴向应力(σ1)关系曲线，16、17、18为不同围压下横向应变(ε3)-轴向应力(σ1)关系曲线，19、20、21为不同围压下体积应变εv-轴向应力σ1关系曲线；22为体积应变-轴向应力关系曲线中找出体积应变的最大值点，该点对应的轴向应力就是岩石的裂纹损伤应力。
请参考图8，图8是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b2岩石起裂应力的示意图(2MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参考图9，图9是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b4岩石起裂应力的示意图(4MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参考图10，图10是本发明实施例中基于相对压缩应变确定b4岩石起裂应力的示意图(8MPa围压)，24为相对压缩应变-轴向应力关系曲线，23为轴向应力零点，25为连接轴向应力零点23与裂纹损伤应力点22形成的参考线；27为绘制的相对压缩应变差-轴向应力的散点图的峰值点，所述峰值点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
请参见图11，图11是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种确定岩石起裂应力的设备111、处理器112及存储设备113。
一种确定岩石起裂应力的设备111：所述一种确定岩石起裂应力的设备111实现所述的一种确定岩石起裂应力的方法。
处理器112：所述处理器112加载并执行所述存储设备113中的指令及数据用于实现所述的一种确定岩石起裂应力的方法。
存储设备113：所述存储设备113存储指令及数据；所述存储设备113用于实现所述的一种确定岩石起裂应力的方法。
本发明的有益效果是：本发明根据绘制的相对压缩应变差-轴向应力关系曲线，能够确切的得到相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点，从而确定峰值点对应的轴向应力，即裂纹起裂应力，对于描述岩石的力学性质、确定岩石的强度准则、理解岩石的渐进破坏过程及预测岩石开挖工程中常见的劈裂现象具有重要意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：现场钻取完整岩芯；
步骤2：对所述完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩样；
步骤3：在所述岩样中部安装测量仪，并将所述岩样安装在加载压力机的试样台上；
步骤4：加载所述岩样，实时采集轴向应力、轴向应变和横向应变；
步骤5：根据所述轴向应变和横向应变计算得到体积应变；
步骤6：根据所述体积应变、横向应变和轴向应力，绘制体积应变-轴向应力关系曲线和横向应变-轴向应力关系曲线；
步骤7：根据所述体积应变-轴向应力关系曲线，找出体积应变的最大值点，所述体积应变的最大值点对应的轴向应力，即所述岩样的裂纹损伤应力；
步骤8：根据所述横向应变-轴向应力关系曲线，确定与所述裂纹损伤应力对应的横向应变值；
步骤9：根据所述横向应变值，计算所述岩样从初始加载至所述裂纹损伤应力之间的相对压缩应变；具体的，计算所述相对压缩应变的公式为：
Figure FDA0003911688310000011
其中，ε3为横向应变，
Figure FDA0003911688310000012
为与裂纹损伤应力对应的横向应变值
步骤10：根据所述相对压缩应变，绘制相对压缩应变-轴向应力关系曲线，在所述相对压缩应变-轴向应力关系曲线中，轴向应力为零的点与裂纹损伤应力点连接而成的直线为参考线；
步骤11：根据所述相对压缩应变-轴向应力关系曲线，得出所述参考线的线性表达式，计算同一轴向应力时，相对压缩应变值与参考应变值之间的相对压缩应变差；
步骤12：根据所述相对压缩应变差和轴向应力，绘制相对压缩应变差-轴向应力关系曲线；
步骤13：所述相对压缩应变差-轴向应力关系曲线的峰值点对应的轴向应力即裂纹起裂应力。
2.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤2中，所述的岩样的高度与直径比为2:1。
3.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤3中，所述测量仪指：轴向应变片和横向应变片
4.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤3中，所述测量仪指：纵向引伸计和横向引伸计。
5.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤4中，采用荷载控制模式对所述岩样进行单轴或三轴加载。
6.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤4中，由所述测量仪实时采集轴向应力、横向应变和轴向应变。
7.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤5中，计算所述体积应变的公式为：εv＝ε1+2ε3，其中，ε1为轴向应变，为正值，ε3为横向应变，为负值。
8.如权利要求1所述的一种确定岩石起裂应力的方法，其特征在于：在步骤7中，所述裂纹损伤应力为：岩石内部裂纹开始不稳定扩展时对应的轴向应力。
9.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～8所述的任意一种确定岩石起裂应力的方法。
10.一种确定岩石起裂应力的设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～8所述的任意一种确定岩石起裂应力的方法。
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