CN110031307B - 一种确定损伤岩石起裂应力指标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定损伤岩石起裂应力指标的方法。该方法首先对损伤岩石进行三轴压缩试验，并记录相应试验数据；然后根据岩石的损伤应力指标将在轴向应力‑侧向应变曲线对应的点标记为N点；之后根据轴向应力‑侧向应变曲线的反弯点确定侧向应变的起始点，并标记为M点；在轴向应力‑侧向应变曲线中连接N点和M点，得到参考线NM，通过计算实测侧向应变与参考线的差值以得到侧向应变差值；侧向应变差值的最大值即为岩石的起裂应力。本发明剔除了损伤岩石侧向应变在起始阶段微观结构的初始破裂段，保证了确定起裂应力对应损伤岩石内部的新裂纹起裂的准确性；本发明不仅可以剔除了人为因素的影响，具有很强的客观性，还易于编程实现批量工作。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学与岩土工程领域，尤其涉及一种可以准确确定经历微裂纹损伤岩石起裂应力指标的方法。
背景技术
岩石的强度与变形特性是岩石力学特性的基础，准确掌握岩石在复杂条件下的力学性质是评价岩体工程变形与稳定的基础，是保证大型岩体工程施工安全的重要保障，并对于维持岩体结构工程的长期安全与稳定具有重要影响。众多岩石力学试验研究发现，岩石的渐进破坏过程可以分为以下几个阶段：裂纹闭合压密阶段；线弹性变形阶段；裂纹起裂阶段；裂纹不稳定扩展阶段；峰后变形阶段。不同阶段对应不同的岩石特征应力值，分别为裂纹闭合应力、起裂应力、损伤应力和峰值强度。
岩石起裂应力表征岩石内部原有裂纹压密、新生裂纹开始萌生和扩展，是应力-应变曲线进入裂纹稳定扩展阶段的标志，该阶段裂纹处于稳定状态，即保持应力水平不变，裂纹不会继续扩展。研究发现，岩石的起裂应力约为0.3～0.5倍的峰值强度，且岩石起裂应力常被用于评价深埋洞室开挖面脆性岩体的剥落强度和结晶岩石长度强度的下线，因此岩石起裂应力是岩石渐进破裂过程中的重要应力指标，其准确确定对于研究岩石的脆性破坏过程具有重要意义。
目前确定岩石起裂应力的方法较多，主要包括应变方法和声发射方法，声发射方法主要基于声发射振铃计数和声发射累计撞击曲线，由于实验室条件下声发射事件与背景噪声难以剔除，因此声发射方法在实际操作中难度较大；而应力-应变曲线在压缩试验中比较容易得到，因此被广泛用于确定岩石的起裂应力，这些方法主要包括体积应变法、侧向应变法、裂纹体积应变法、体积刚度法和侧向应变响应法。
其中瞬时泊松比方法、体积应变法和侧向应变法确定岩石起裂应力时跟测试人的主观判断密切相关，具有较强的主观性，而侧向应变响应法可以客观地确定起裂应力，因此该方法目前运用较广。然而岩石在复杂地质环境中(高温、高地应力等)往往存在一定的微裂纹损伤，导致侧向应变在起始阶段可能存在正值(泊松比为负)的情况，此时侧向应变响应方法难以用于准确确定起裂应力，因此需要提出可以用于确定损伤岩石起裂应力的新方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可以确定损伤岩石起裂应力的新方法，该方法改进了已有的侧向应变响应方法难以确定损伤岩石起裂应力的不足，可以客观准确地确定损伤岩石的起裂应力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种确定损伤岩石起裂应力指标的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对损伤岩石进行三轴压缩试验，并记录相应试验数据；
步骤2、根据试验数据绘轴向应力-体积应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线；
步骤3、根据轴向应力-体积应变曲线的反弯点确定岩石的损伤应力指标；
步骤4、根据岩石的损伤应力指标将在轴向应力-侧向应变曲线对应的点标记为N点；
步骤5、根据轴向应力-侧向应变曲线的反弯点确定侧向应变的起始点，并标记为M点；
步骤6、在轴向应力-侧向应变曲线中连接N点和M点，得到参考线NM，通过计算实测侧向应变与参考线的差值以得到侧向应变差值；
步骤7、侧向应变差值的最大值即为岩石的起裂应力。
优选的，所述步骤7中，侧向应变差值的最大值确定方法为：首先绘制侧向应变差值-轴向应力曲线，该曲线的最高点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
优选的，在步骤1中，在做损伤岩石进行三轴压缩试验时，至少做三组平行试验。
优选的，所述损伤岩石为通过热法损伤，岩石采用花岗岩，最高处理温度不超过600℃。
优选的，所述岩石的热法损伤采用一次或者多次进行平行试验。
优选的，本方法中，M点确定、N点确定、侧向应变差值计算以及侧向应变差值的最大值均可采用数据编程处理计算。
本发明有益效果是：
与现有技术相比，本发明方法有三大特色：
第一：该方法同侧向应变响应方法一样，通过寻找侧向应变从非线性与线性段之间的转换点来确定岩石裂纹起裂阶段(起裂应力)的开始，该方法的改进在于剔除了损伤岩石侧向应变在起始阶段微观结构的初始破裂段，该段主要表现为侧向应变为正值且逐渐增大，表明岩石处于压缩阶段，这是由于损伤岩石内部存在较多的微裂纹，微裂纹在受力初期表现为压密闭合，因此瞬时泊松比可能出现为负值的情况，通过将该部分剔除，可以更准确地基于侧向应变定位到由于新裂纹起裂而引起的侧向应变非线性与线性转换，保证了确定的转换点对应损伤岩石内部的新裂纹起裂的准确性。
第二：该方法同侧向应变响应方法一样，继续保持了确定起裂应力指标的客观性。通过建立起始点与损伤应力指标的参考线，计算参考线与侧向应变之间的差值，寻找参考线与侧向应变的差值最大值，来确定侧向应变非线性到线性之间的转换点，以达到确定起裂应力的目的，由于侧向应变差值最大值的确定可以剔除了人为因素的影响，因此具有很强的客观性，这就保证了不同操作者基于该方法确定得到的起裂应力一致性。
第三：由于该方法具有很强的客观性，使得该方法易于编程操作，可以通过现有编程语言通过简单代码得以实现，保证了批量工作的效率。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明轴向应力-体积应变曲线示意图。
图2为本发明轴向应力-侧向应变曲线示意图。
图3为本发明侧向应变差值-轴向应力曲线示意图。
图4是实施例中，热处理岩石的应力-应变曲线图，图4中a为轴向应力-轴向应变曲线示意图，b为轴向应力-侧向应变曲线示意图。
图5为根据图4所得轴向应力-体积应变曲线示意图。
图6为图4中b所示曲线放大确定侧向应变起始点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1至图3为本发明岩石应力-应变曲线，其为本发明原理示意图，如图1至图3所示，一种确定损伤岩石起裂应力指标的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、对损伤岩石进行三轴压缩试验，并记录相应试验数据；
步骤2、根据试验数据绘轴向应力-体积应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线，其中体积应变为轴向应变加上两倍的侧向应变，因此轴向应力-体积应变曲线由轴向应力-侧向应变数据和轴向应力-轴向应变数据计算获得；
步骤3、根据岩石应力-应变曲线确定岩石的损伤应力指标，岩石损伤应力指标的确定可以通过体积应变-轴向应力曲线的反弯点来进行确定，如图1中的N点所示，并利用该点对应的轴向应力，在图2的轴向应力-侧向应变曲线中标记损伤应力点N；
步骤4、确定侧向应变的起始点，如图1中M点所示，该起始点的确定主要通过轴向应力-侧向应变曲线起始阶段的反弯点得到；
步骤5、确定岩石的侧向应变响应，如图2所示，在轴向应力-侧向应变曲线中，通过连接起始点M与损伤应力指标对应的点N可以得到一条参考线(见图2中MN直线)，计算实测侧向应变与参考线的差值就可以得到侧向应变差值，即图2中的ΔLSR；
步骤6、以轴向应力为横坐标，侧向应变差值为纵坐标绘制侧向应变差值-轴向应力曲线，见图3所示，确定该曲线的最高点，即侧向应变差值的最大值，由于该最大值对应侧向应变从非线性转换为线性，故该点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
实施例
通过热处理可以使岩石内部产生较大的微裂纹损伤，本实施例通过热损伤岩石经历不同次数高温热处理实验数据进行说明。所用的岩石为花岗岩，高温处理温度为600℃，高温处理后冷却至室温称为一次热处理，图4至图6为选用花岗岩经历0次、1次、2次热处理后的三轴压缩试验曲线。
步骤1：确定岩石的损伤应力指标，损伤应力指标的确定通过绘制体积应变-轴向应力曲线并确定曲线的反弯点来得到(见图5所示)，体积应变为轴向应变加上两倍的侧向应变，即由图4中曲线数据获取，本实施例中确定得到0次、1次、2次热处理后的损伤应力指标分别为120.94MPa、77.23MPa、79.71MPa；
步骤2：确定侧向应变的起始点，将侧向应变-轴向应力曲线起始阶段进行放大(见图6所示)，可以通过轴向应力-侧向应变曲线起始阶段的反弯点来确定侧向应变的起始点，本实施例中确定得到0次、1次、2次热处理后的应力起始点分别为9.53MPa、24.08MPa、29.10MPa；
步骤3：在图6中，通过连接起始点与损伤应力指标在图6中对应的点可以得到参考线，计算实测侧向应变与参考线的差值可以得到侧向应变差值；
步骤4：绘制侧向应变差值-轴向应力曲线，确定该曲线的最高点，该点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力，本实施例中确定得到0次、1次、2次热处理后的起裂应力值见表1所示。
表1热处理花岗岩起裂应力计算结果
由表1看出，由于初始微裂纹损伤的存在，侧向应变响应方法确定得到的起裂应力值明显偏低，表明其已不在适用于确定损伤岩石的起裂应力，而本发明方法的计算结果与现有较成熟的方法所得的结果相接近，表明本发明方法在应用中是可靠的。
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 (6)
1.一种确定损伤岩石起裂应力指标的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对损伤岩石进行三轴压缩试验，并记录相应试验数据；
步骤2、根据试验数据绘轴向应力-体积应变曲线和轴向应力-侧向应变曲线；
步骤3、根据轴向应力-体积应变曲线的反弯点确定岩石的损伤应力指标；
步骤4、根据岩石的损伤应力指标将在轴向应力-侧向应变曲线对应的点标记为N点；
步骤5、根据轴向应力-侧向应变曲线的反弯点确定侧向应变的起始点，并标记为M点；
步骤6、在轴向应力-侧向应变曲线中连接N点和M点，得到参考线NM，通过计算实测侧向应变与参考线的差值以得到侧向应变差值；
步骤7、侧向应变差值的最大值即为岩石的起裂应力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7中，侧向应变差值的最大值确定方法为：首先绘制侧向应变差值-轴向应力曲线，该曲线的最高点对应的轴向应力即为岩石的起裂应力。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在步骤1中，在做损伤岩石进行三轴压缩试验时，至少做三组平行试验。
4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述损伤岩石为通过热法损伤，岩石采用花岗岩，最高处理温度不超过600 ºC。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述岩石的热法损伤采用一次或者多次进行平行试验。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：本方法中，M点确定、N点确定、侧向应变差值计算以及侧向应变差值的最大值均可采用数据编程处理计算。
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