CN110044717A - 确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，先将岩块加工成圆柱形试样；进行单轴压缩试验，得到其应力应变曲线；以试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc；以相同的加载速率对另一圆柱形试样进行单轴压缩分级加卸载试验，得该岩石试样的分级加卸载应力应变曲线，依此确定各级加卸载峰值点；利用最小二乘拟合法拟合出每级加卸载试验的加载段和卸载段数据点斜率，两斜率的比值为各级加卸载响应比，绘制加卸载响应比随轴向应变的变化曲线；确定加卸载响应比逐级上升的起始点，该起始点即为加卸载响应比起变点。解决了加卸载响应比开始上升的起始点无法准确量化的问题和起始点识别不准确造成安全事故的问题。

Description

确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的 方法
本申请要求于2019年2月2日提交中国专利局、申请号为201910108064.6申请名称为“一种确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明属于岩石破坏判别技术领域，特别是涉及一种确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的方法。
背景技术
加卸载响应比(Load-Unload Response Ratio，LURR)理论是一种研究岩石或岩体非线性破坏前兆和破坏预报的理论。目前，加卸载响应比理论已在地震、滑坡等非线性系统失稳预测中取得了一系列进展。对于岩石试样受压破坏问题，随着加载力的提高，当加载到后期阶段时(加载力大于60％峰值强度)，试样会由弹性变形阶段进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段。当岩石试样处于弹性变形阶段时，可逆性是弹性变形的基本特征，其加载段变形模量和卸载段变形模量相同，岩石试样进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段后，岩石试样的变形具有不可逆性，其加载段变形模量小于卸载时的变形模量，这种差异显示了岩石力学性质开始劣化的趋势。这种劣化趋势会非常有规律的反映在岩石加卸载响应比的数值上，具体表现为随着加载力的提高，加卸载响应比会逐级上升增加。如何判断加卸载响应比上升趋势的起点成为最关键的问题。很多学者将加卸载响应比开始上升的起始点作为地震、矿震、滑坡等灾害预测中的预警点，但是准确量化的确定这一起始点仍未实现。将岩石加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为加卸载响应比起变点，由于起变点出现在岩石破坏之前，因此起变点的准确量化判断有助于岩石损伤演化过程及整体破坏的预测，确定岩石单轴压缩起变点可以对岩石破坏提前做出预警，保护试验中人员及设备的安全，同时起变点的准确量化判断还可以用于地震、矿震、滑坡等灾害预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的方法，以解决现有加卸载响应比开始上升的起始点无法准确量化的问题和岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比开始上升的起始点识别不准确造成安全事故的问题。
本发明所采用的技术方案是，确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，具体步骤如下：
步骤S1、现场取样，将取得的岩块加工成圆柱形岩石试样；
步骤S2、进行单轴压缩试验，加载一圆柱形岩石试样直至破坏，得到其应力应变曲线；
步骤S3、以圆柱形岩石试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc；
步骤S4、以与步骤S2相同的加载速率对另一相同规格的圆柱形岩石试样进行单轴压缩分级加卸载试验，获得该岩石试样的分级加卸载应力应变曲线；
步骤S5、依据每个分级加卸载应力应变曲线确定岩石试样的各级加卸载峰值点，利用最小二乘拟合法拟合出每级加卸载试验的加载段和卸载段数据点的斜率；
步骤S6、将其每级加卸载试验的卸载段数据点的斜率与其加载段数据点的斜率的比值作为各级加卸载响应比，绘制加卸载响应比随轴向应变的变化曲线；
步骤S7、依据各级加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，确定岩石试样的加卸载响应比逐级上升的起始点，该加卸载响应比逐级上升的起始点即为加卸载响应比起变点。
进一步的，所述步骤S4的单轴压缩分级加卸载试验，首先加载至单轴抗压强度σc的4％，然后卸载到0，作为第1级载荷；然后加载至单轴抗压强度σc的8％，卸载至单轴抗压强度σc的4％，作为第2级载荷；每级加载强度较前一级增加单轴抗压强度σc的4％，每级卸载强度为前一级的加载强度，逐级加卸载直至岩石试样破坏。
进一步的，所述步骤S5是以各级加卸载峰值点为上限，在每级加卸载峰值点前的加载段和其后的卸载段分别取1MPa长度的数据点，然后利用最小二乘拟合法来拟合出各级加卸载试验的加载段数据点的斜率、卸载段数据点的斜率。
进一步的，所述步骤S6绘制加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，是在每个分级加卸载应力应变曲线的基础上，将其每级峰值点的纵坐标替换为该级的加卸载响应比值，得到各级加卸载响应比-轴向应变点，然后将所有加卸载响应比-轴向应变点依次连接即可形成每个圆柱形岩石试样的加卸载响应比随轴向应变的变化曲线。
进一步的，所述步骤S7具体是：
步骤S71、计算加卸载响应比随轴向应变的变化曲线中相邻两级加卸载响应比值的差值，计算公式如下：
ΔLURRi→i-1＝LURRi-LURRi-1,i≥2；
其中，ΔLURRi→i-1表示第i级加卸载响应比值与第i-1级加卸载响应比值的差值，LURRi为第i级加卸载响应比值，LURRi-1为第i-1级加卸载响应比值；
步骤S72、依据岩石试样单轴抗压强度σc的60％峰值强度之后对应的ΔLURRi→i-1确定加卸载响应比起变点，若在岩石试样60％峰值强度之后对应的ΔLURRi→i-1中，有连续三个ΔLURRi→i-1值为正，即表明岩石加卸载响应比值出现逐级上升现象，则确定这三个连续的ΔLURRi→i-1值中的第一个ΔLURRi→i-1对应的第i-1级的加卸载响应比-轴向应变点为起变点。
进一步的，所述步骤S2中的单轴压缩试验和步骤S4中的单轴压缩分级加卸载试验均在电液伺服材料试验机上进行，且加载速率均为12KN/min。
本发明的有益效果是，提出了基于加卸载响应比差值确定岩石加卸载响应比起变点的方法，将岩石加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为加卸载响应比起变点，由于加卸载响应比的这一上升趋势发生在岩石破坏之前，因此可以用于岩石等非线性系统失稳的预测和失稳程度分级。利用该方法可以准确量化的判断岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点，进而对岩石破坏做出提前预警，保护试验中人员及设备的安全。解决了现有加卸载响应比开始上升的起始点无法准确量化的问题和岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比开始上升的起始点识别不准确造成安全事故的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为圆柱形试样立体示意图；
图3为岩石试样分级加卸载方案示意图；
图4为岩石试样加卸载应力-应变曲线图；
图5利用最小二乘拟合法对某一级加卸载试验中的加载段和卸载段进行拟合示意图；
图6为根据LURR差值法确定加卸载响应比起变点图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在MTS815电液伺服材料试验机进行岩石常规单轴压缩分级加卸载试验，对岩石的加卸载响应比起变点进行判断。
如图1所示，一种确定岩石单轴压缩分级加卸载试验中加卸载响应比起变点的方法，包括以下步骤：
(1)现场取样，将取得的岩块加工成圆柱形试样，如图2所示，直径D取为48-52mm，试样的长度L取直径的1.8～2.2倍；
(2)根据岩石力学单轴压缩试验规程，取1个圆柱形岩石试样安放在刚性电液伺服材料试验机上，进行常规静载单轴压缩试验直至岩石试样发生破坏，得到其应力应变曲线，以岩石试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc；
(3)重新取1个相同规格的圆柱形岩石试样，以相同的力控制加载速率对岩石进行单轴压缩分级加卸载试验，加卸载方案参见图3，以12KN/min的加载速率对岩石试样进行加载，首先加载至单轴抗压强度σc的4％，然后卸载到0，本次加载作为第1级载荷，然后再次加载至单轴抗压强度的8％，卸载至4％，作为第2级载荷；再加载至12％，卸载至8％，作为第3级荷载，以此类推，逐级加卸载直至岩石试样破坏，从而获得每个岩石试样在单轴压缩分级加卸载试验中的应力应变曲线参见图4；
(4)得到岩石试样的分级加卸载应力应变曲线后，首先分析应力应变曲线确定每级加卸载峰值点的位置，在每级加卸载峰值点前后的加载段和卸载段分别取1MPa长度的数据点，分别拟合出加载段和卸载段数据点的斜率。加卸载段响应率均为其斜率的倒数，各级加卸载响应比即为加载段响应率和卸载段响应率的比值，如图5，根据最小二乘拟合法，加载段1MPa数据和卸载段1MPa数据的拟合公式分别为y＝6401.8x-1.4122、y＝16561.0x-9.6667(拟合公式中y表示轴向应力，x表示轴向应变)，加载段1MPa数据和卸载段1MPa数据的斜率分别为6401.8、16561.0，则加载段1MPa数据和卸载段1MPa数据的响应率分别为1/6401.8、1/16561.0，本级加卸载峰值点的加卸载响应比即为
(5)计算出岩石试样在各级加卸载点的加卸载响应比，得到加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，相邻两个加卸载响应比的差值记做ΔLURR，ΔLURRι＝LURRι-LURRι-1(ι≥2)，式中ΔLURRι为第i级加卸载试验对应的加卸载响应比差值，LURRι为第i级加卸载响应比，LURRι-1为第i-1级加卸载响应比；
(6)如图6，考察岩石试样60％峰值强度之后对应的ΔLURR值，若三个连续的ΔLURR值为正，即表明岩石加卸载响应比出现逐级上升现象，则确定这三个连续的ΔLURR中的第一个ΔLURR对应的前一级加卸载峰值点为起变点。
实施例1
以青砂岩为例，确定青砂岩单轴压缩分级加卸载试验的加卸载响应比起变点，具体过程如下：
step1：将工程现场取回的岩块加工成直径为50mm，长度为100mm的圆柱形岩石试样，取1个圆柱形岩石试样在MTS815电液伺服材料试验机进行常规单轴压缩试验，以加载速率为12KN/min的力控制加载方式进行加载，得到其应力应变曲线，岩石试样的轴向应力的峰值为80.1MPa，故青砂岩试样的单轴抗压强度σc＝80.10MPa。
step2：根据step1中获得的单轴抗压强度σc的值，确定一级载荷为3.2MPa，二级、三级荷载为6.4MPa、9.6MPa，每级荷载比上一级荷载增加3.2MPa，这样逐级加卸载直至岩石试样发生破坏。
step3：取1个相同规格的岩石试样，分别对岩石试样进行单轴压缩分级加卸载试验，以12KN/min的加载速率对岩石试样进行加载，加卸载方式如图3，首先加载至单轴抗压强度的4％(即3.2MPa)，然后卸载到0，本次加载作为第1级载荷；然后再次加载至单轴抗压强度的8％(即6.4MPa)，卸载至4％(即3.2MPa)，作为第2级载荷；再加载至12％(即9.6MPa)，卸载至8％(即6.4MPa)，作为第3级荷载，以此类推，逐级加卸载直至岩石试样破坏，从而获得该岩石试样在单轴压缩分级加卸载试验中的应力应变曲线。
step4：对step3中得到的应力应变曲线分析确定每个加卸载峰值点的位置，在每个加卸载峰值点前后的加载段和卸载段的轴向应力上，从峰值点应力分别向下各取1MPa数据，利用最小二乘拟合法算出加卸载响应比，具体操作为以各级加卸载峰值为上限，以各级加卸载峰值点为起点在加载段和卸载段各取1MPa为下限，分别根据最小二乘拟合法计算加载段的斜率和卸载段的斜率。
step5：step4中得到加载段的斜率和卸载段的斜率，各级加载段和卸载段的响应率即为加载段和卸载段斜率的倒数，各级加卸载峰值点的加卸载响应比由加载段响应率和卸载段响应率的比值计算得到。青砂岩第一级加卸载峰值点对应的轴向应力为3.2MPa，以峰值点为起点，分别在加载段和卸载段轴取3.2～2.2MPa的轴向应力应变数据，利用最小二乘拟合法拟合出加载段的3.2～2.2MPa轴向应力应变数据的斜率为9931.3，卸载段的3.2～2.2MPa轴向应力应变数据的斜率为19663.1。青砂岩第一级加卸载峰值点加载段和卸载段的响应率分别为1/9931.1和1/19663.1，第一级加卸载响应比为加载段响应率和卸载段响应率的比值：同样，可按上述算法计算以下各级的加卸载响应比(具体值见表1)。
step6：计算青砂岩在各级加卸载点的加卸载响应比，得到加卸载响应比变化曲线。记相邻两级加卸载响应比的差值为ΔLURR，ΔLURRι＝LURRι-LURRι-1(ι≥2)，式中ΔLURRι为第i级加卸载试验对应的加卸载响应比差值，LURRι为第i级加卸载响应比，LURRι-1为第i-1级加卸载响应比，青砂岩按照上述方法计算的2至25级ΔLURR如表1。
step7：考察青砂岩60％峰值强度之后对应的ΔLURR值。从第15级加卸载点开始(15级加卸载点对应的轴向应力为48MPa)考察，如表1所示，第21级ΔLURR＝-0.03，之后第22级、23级和24级及以后的ΔLURR均为正，故第21级加卸载峰值点为青砂岩的加卸载响应比起变点。
表1青砂岩加卸载响应比起变点判别结果
起变点为岩石加卸载响应比出现逐级上升的起始点，如图6所示，表1中自21级后青砂岩加卸载响应比出现了逐级上升的现象，所以从起变点的定义上可以证明该确定方法的准确度。依据实施例1中的步骤，同样可对广西白大理岩加卸载响应比起变点做出判断。如表2，第14级ΔLURR＝-0.1，之后第15-23级的ΔLURR均为正，故第14级加卸载点为广西白大理岩的加卸载响应比起变点。
表2广西白大理岩加卸载响应比起变点判别结果
加卸载级数 轴向应力/MPa LURR △LURR 起变点位置
1 2.5 2.39 -
2 5.0 1.80 -0.59
3 7.5 1.56 -0.24
4 9.8 1.49 -0.07
5 12.4 1.33 -0.17
6 14.9 1.29 -0.04
7 17.4 1.29 0.00
8 19.9 1.41 0.12
9 22.4 1.21 -0.20
10 24.9 1.24 0.03
11 27.4 1.27 0.03
12 29.9 1.43 0.16
13 32.4 1.43 0.00
14 34.8 1.36 -0.07 起变点
15 37.3 1.44 0.09
16 39.8 1.59 0.15
17 42.3 1.67 0.07
18 44.8 1.68 0.01
19 47.3 1.73 0.04
20 49.7 1.78 0.05
21 52.3 1.90 0.12
22 54.6 2.59 0.69
23 57.2 4.17 1.58
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1、现场取样，将取得的岩块加工成圆柱形岩石试样；
步骤S2、进行单轴压缩试验，加载一圆柱形岩石试样直至破坏，得到其应力应变曲线；
步骤S3、以圆柱形岩石试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc；
步骤S4、以与步骤S2相同的加载速率对另一喜爱能够听那个规格的圆柱形岩石试样进行单轴压缩分级加卸载试验，获得该岩石试样的分级加卸载应力应变曲线；
步骤S5、依据分级加卸载应力应变曲线确定岩石试样的各级加卸载峰值点，利用最小二乘拟合法拟合出其每级加卸载试验的加载段和卸载段数据点的斜率；
步骤S6、将每级加卸载试验的卸载段数据点的斜率与其加载段数据点的斜率的比值作为各级加卸载响应比，绘制加卸载响应比随轴向应变的变化曲线；
步骤S7、依据各级加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，确定岩石试样的加卸载响应比逐级上升的起始点，该加卸载响应比逐级上升的起始点即为加卸载响应比起变点。
2.根据权利要求1所述的确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，所述步骤S4的单轴压缩分级加卸载试验，首先加载至单轴抗压强度σc的4％，然后卸载到0，作为第1级载荷；然后加载至单轴抗压强度σc的8％，卸载至单轴抗压强度σc的4％，作为第2级载荷；每级加载强度较前一级增加单轴抗压强度σc的4％，每级卸载强度为前一级的加载强度，逐级加卸载直至岩石试样破坏。
3.根据权利要求1或2所述的确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，所述步骤S5是以各级加卸载峰值点为上限，在每级加卸载峰值点前的加载段和其后的卸载段分别取1MPa长度的数据点，然后利用最小二乘拟合法来拟合出各级加卸载试验的加载段数据点的斜率、卸载段数据点的斜率。
4.根据权利要求3所述的确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，所述步骤S6绘制加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，是在每个分级加卸载应力应变曲线的基础上，将其每级峰值点的纵坐标替换为该级的加卸载响应比值，得到各级加卸载响应比-轴向应变点，然后将所有加卸载响应比-轴向应变点依次连接即可形成圆柱形岩石试样的加卸载响应比随轴向应变的变化曲线。
5.根据权利要求1、2或4所述的确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，所述步骤S7具体是：
步骤S71、计算加卸载响应比随轴向应变的变化曲线中相邻两级加卸载响应比值的差值，计算公式如下：
ΔLURRi→i-1＝LURRi-LURRi-1,i≥2；
其中，ΔLURRi→i-1表示第i级加卸载响应比值与第i-1级加卸载响应比值的差值，LURRi为第i级加卸载响应比值，LURRi-1为第i-1级加卸载响应比值；
步骤S72、依据岩石试样单轴抗压强度σc的60％峰值强度之后对应的ΔLURRi→i-1确定加卸载响应比起变点，若在岩石试样60％峰值强度之后对应的ΔLURRi→i-1中，有连续三个ΔLURRi→i-1值为正，即表明岩石加卸载响应比值出现逐级上升现象，则确定这三个连续的ΔLURRi→i-1值中的第一个ΔLURRi→i-1对应的第i-1级的加卸载响应比-轴向应变点为起变点。
6.根据权利要求5所述的确定岩石单轴压缩分级加载试验中加卸载响应比起变点的方法，其特征在于，所述步骤S2中的单轴压缩试验和步骤S4中的单轴压缩分级加卸载试验均在电液伺服材料试验机上进行，且加载速率均为12KN/min。
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