CN109540673B - 一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，步骤为：开展常规三轴试验，先加载围压再加载轴压，轴压加载先采用应力控制方式直到试样屈服，再换为环向变形控制方式直至试样破坏；设定低周疲劳加载参数，先根据常规三轴试验中获取的应力‑应变曲线数据设定蠕变试验的固定应力，将其作为低周疲劳加载的上限应力，同时设定周期载荷频率、加载波形和幅值；开展低周疲劳加载试验，先加载围压再加载轴压，直到轴压达到之前设定的上限应力，同时以设定的周期载荷频率、加载波形和幅值进行加载，直至试样破坏；记录低周疲劳加载试验中获取的应力‑应变曲线数据，从中提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，将其等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值。

Description

一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，特别是涉及一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法。

背景技术

针对地下采矿、隧道工程、水电工程等岩石工程项目，其服务年限一般长达几十年甚至上百年，在使用过程中，这些工程易造成岩体局部或整体发生与时间效应有关的破坏或失稳，因此在工程建设中不仅要考虑施工期间的安全，还要确保在日后长期使用过程中岩体的稳定性。但是，目前时效条件下岩石破坏研究主要针对软岩，而对硬岩的关注相对较少。进入二十一世纪以来，地下工程项目逐渐进入深部发展阶段，而深部高地应力、高地温、高渗透压及较强时间效应等因素，已经成为诱导岩石(尤其是硬岩)产生一系列失稳、破坏的重要因素。因此，开展硬岩时效研究已经成为一项重要的课题。

流变特性是岩石重要的力学特性之一，它是指岩石矿物组构随时间增长不断调整重组，导致其应力应变状态随时间不断变化的性质。岩石流变特性与工程长期稳定性紧密相关，其研究内容主要包括蠕变、松弛、弹性后效及长期强度等，目前而言主要进行蠕变试验。蠕变是指在长时间应力作用下，岩石永久变形不断增长的现象，通过室内试验获得岩石的蠕变形态，进而从试验数据建立岩石蠕变本构方程以服务岩石工程项目。

如图1所示，完整的蠕变曲线一般包含3个阶段，具体为：

①、衰减蠕变阶段

在此阶段，岩石的蠕变曲线向下弯曲，其蠕变速率随时间的增加而减小，若在这一阶段中任一点卸载，岩石的应变会随时间逐步恢复到零，由于卸载后应力与应变的恢复并不同步，应变总是落后于应力，这种现象就称作弹性后效或滞弹性；

②、等速蠕变阶段

在此阶段，蠕变曲线近似为倾斜直线，即蠕变速率保持为常数，若在此阶段的任一时刻卸载，最终将保持一定的不可恢复粘塑性变形，这一阶段的历时长短主要取决于应力水平；

③、加速蠕变阶段

在此阶段，应变速率随时间的增加而增加，由稳态蠕变状态进入加速蠕变将导致试样迅速发生破坏。

如图2所示，蠕变试验包括两种不同的加载方式，第一种是分别加载方式，第二种是分级加载方式。

分别加载是指：将同一种材料的岩块加工成若干个相同的试样，在相同的试验环境下开展不同应力水平的蠕变试验，得到一簇不同应力水平下的蠕变曲线。通过分别加载方式得到的曲线可以不用处理直接利用，但在操作过程中由于每个水平的蠕变试验持续的时间均较长，这将导致试验的工作量剧增。

分级加载是指：在同一试样上逐渐施加不同的应力，即在一级应力水平下蠕变经历给定的时间或到达稳定后，再加下一级应力水平，直至试验结束。分级加载方式相较于分别加载方式时间会大大缩短，尽管如此，往往也需要几天甚至几个月的耗时；除此之外，分级加载方式需要根据线性叠加原理整理得到不同应力水平下的岩石蠕变曲线，即认为岩石是线性流变体，但这与实际情况存在一定的偏差。

蠕变试验所采用的分别加载方式和分级加载方式，除了耗时较长这一不足之处，还存在两个方面的困难：第一，高刚度、高稳定性的岩石流变力学试验设备比较缺乏，研究手段的局限严重制约了对硬岩蠕变特性的试验研究；第二，硬岩变形相对较小，即使是在破坏时其变形的量级也仅为微米级，想要在蠕变试验过程中精确的监测试样的变形存在相当的难度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，仅利用普通三轴试验机即可开展试验，对试验设备要求较低；试验可以在一天内完成，能够节省大量的时间；通过低周疲劳加载试验就可以为蠕变试验模型的建立提供基本参数；在同一个试验内，既可以开展疲劳破坏的研究，又可以开展蠕变破坏的研究。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：开展常规三轴试验，先对试样加载围压，直到围压加载至预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，且轴压加载先采用应力控制方式，直到试样的应力-应变曲线显示为屈服后，再将轴压加载由应力控制方式转换为环向变形控制方式，直至试样破坏；

步骤二：设定低周疲劳加载参数，先根据常规三轴试验中获取的应力-应变曲线数据设定蠕变试验的固定应力，并将该固定应力作为低周疲劳加载的上限应力，同时对低周疲劳加载的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行设定；

步骤三：开展低周疲劳加载试验，先对试样加载围压，直到围压加载至预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，直到轴压达到步骤二中设定的上限应力，同时以步骤二中设定的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行加载，直至试样破坏；

步骤四：记录低周疲劳加载试验中获取的应力-应变曲线数据，从该应力-应变曲线数据中提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，将该应变值等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值即可。

本发明的有益效果：

本发明的基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，仅利用普通三轴试验机即可开展试验，对试验设备要求较低；试验可以在一天内完成，能够节省大量的时间；通过低周疲劳加载试验就可以为蠕变试验模型的建立提供基本参数；在同一个试验内，既可以开展疲劳破坏的研究，又可以开展蠕变破坏的研究。

附图说明

图1为典型的三阶段蠕变曲线图；

图2为蠕变加载示意图；

图3为低周疲劳加载示意图；

图4为静态和低周疲劳加载应力-应变曲线图；

图5为低周疲劳加载中上限应力对应的应变-循环周期曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例中，试样为圆柱形试样，试样直径为50mm，试样高度为100mm。

一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：开展常规三轴试验，先对试样加载围压，围压加载速率为0.5MPa/min，直到围压加载至10MPa的预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，轴压加载速率为0.5MPa/s，且轴压加载先采用应力控制方式，直到试样的应力-应变曲线显示为屈服(约为强度的70％～80％)后，再将轴压加载由应力控制方式转换为环向变形控制方式，直至试样破坏；

步骤二：设定低周疲劳加载参数，先根据常规三轴试验中获取的应力-应变曲线数据设定蠕变试验的固定应力，并将该固定应力作为低周疲劳加载的上限应力，同时对低周疲劳加载的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行设定，其中，周期载荷频率设为0.1Hz，周期加载波形设为余弦波，周期加载幅值设为峰值应力的0.1倍；

步骤三：开展低周疲劳加载试验，先对试样加载围压，围压加载速率为0.5MPa/min，直到围压加载至10MPa的预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，直到轴压达到步骤二中设定的上限应力，同时以步骤二中设定的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行加载，直至试样破坏；

步骤四：记录低周疲劳加载试验中获取的应力-应变曲线数据，从该应力-应变曲线数据中提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，将该应变值等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值即可。

之所以可以将步骤四中提取的应变值等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值，具体原因如下：

试样在加载过程中，所施加的应力随时间作周期性或非周期性变化，经过足够的应力或应变循环作用后，损伤累计可使试样产生裂纹，并使裂纹扩展，直至小片脱落或断裂，此过程就称为疲劳破坏，其加载示意图如图3所示。

根据寿命长短不同，疲劳破坏可分为低周疲劳和高周疲劳，其中，循环次数小于10⁵为低周疲劳，循环次数大于10⁵为高周疲劳。

由前面所述的蠕变加载方式可知，在分别加载方式下，需要采用某一固定应力水平对试样进行长期加载，而该固定应力则可以看作应力幅值为0，此时，蠕变试验便可以等效为应力幅值趋近0的循环次数无限多的疲劳加载试验。

由于低周疲劳加载试验可以在短时间内将岩石循环损伤破坏，且在疲劳加载中，周期载荷的上限应力、下限应力、幅值、频率、波形等均影响试样的疲劳寿命，只需通过设计合理的试验参数，就可以确保疲劳试验在一个较短时间内完成。

基于此，本发明才将低周疲劳加载的上限应力作为蠕变加载试验中的固定应力，并设定了某一固定的幅值进行低周疲劳加载，直至试样破坏。

提取相同围压条件下的静态和低周疲劳加载应力-应变曲线，可得到图4；提取相同围压条件下的低周疲劳加载中上限应力对应的应变-循环周期曲线，可得到图5；其中，循环周期可以根据设置的加载频率换算为加载时间，另外需要说明的是，低周疲劳加载的波形、幅值、频率可以根据需要自行设置。

从图4中可以看出，静态加载阶段的两种加载方式的应力-应变曲线具有较好的重演性，并且低周疲劳破坏时的应变即为周期荷载上限应力所对应的静态应力-应变曲线中峰后部分的应变，也就是说，低周疲劳曲线受相同围压下静态应力-应变曲线的控制，这与蠕变曲线特点相似，两者均可以利用变形作为岩石破坏准则。

从图5中可以看出，轴向应变的发展具有与蠕变试验相同的三阶段特征，周期加载的开始阶段应变发展速率较快，经过一定的周期之后逐渐趋于稳定，并以等速率发展，临近破坏时又逐渐加速破坏，完全符合蠕变加载的三阶段特征。

因此，将步骤四中提取的应变值等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值是完全可行的。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：开展常规三轴试验，先对试样加载围压，直到围压加载至预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，且轴压加载先采用应力控制方式，直到试样的应力-应变曲线显示为屈服后，再将轴压加载由应力控制方式转换为环向变形控制方式，直至试样破坏；

步骤二：设定低周疲劳加载参数，先根据常规三轴试验中获取的应力-应变曲线数据设定蠕变试验的固定应力，并将该固定应力作为低周疲劳加载的上限应力，同时对低周疲劳加载的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行设定；

步骤三：开展低周疲劳加载试验，先对试样加载围压，直到围压加载至预设值，且围压稳定后，再对试样加载轴压，直到轴压达到步骤二中设定的上限应力，同时以步骤二中设定的周期载荷频率、周期加载波形及周期加载幅值进行加载，直至试样破坏；

步骤四：记录低周疲劳加载试验中获取的应力-应变曲线数据，从该应力-应变曲线数据中提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，将该应变值等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值即可。

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