CN111366452B - 一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法 - Google Patents

一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法，包括以下步骤：步骤S1、钻取不同赋存深度的岩心，将其加工成圆柱体试样，并进行编号；步骤S2、对步骤S1获得的试样开展对应平均水平应力下的三轴压缩试验，分别获取试样所在赋存深度岩体的竖直应力、平均水平应力以及全应力‑应变曲线数据；步骤S3、基于步骤S2获得的全应力‑应变曲线数据分别获得试样所在赋存深度岩体的杨氏模量和泊松比；步骤S4：根据公式(3)计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值。本发明提供的方法考虑了不同赋存深度对于岩石变形参数的影响，完善了地下岩体原位蓄积能量的计算方法，对自蓄能岩体蓄能水平进行定量表征，为地下工程安全施工提供了基础数据支撑。

Description

一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法
技术领域
本发明涉及地下岩石工程技术领域，尤其涉及一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法。
背景技术
当前全球经济高速发展，人民逐渐增加的资源需求与全球浅部资源的快速枯竭已成为主要矛盾，而开发深部资源便成为唯一有效的解决途径。深部岩体处于三向高应力状态，内部蓄积的巨量应变能使得深部岩体成为自蓄能岩体，并且随着赋存深度的增加，同一类岩石的变形参数亦呈现差异化。因此需要基于不同赋存深度的工程岩体应力环境，开展不同平均水平应力下的三轴压缩试验，并对自蓄能岩体蓄能水平进行定量表征。
以往研究假设同一类岩石的变形参数(杨氏模量、泊松比)均为常数，忽略不同赋存深度对于岩体变形参数的作用机制，而在地下工程岩体所处的真实地况中，随着埋深的增加，岩石的变形参数呈现线性变化，甚至是非线性变化，并且变形参数对岩石的蓄能能力具有显著影响。因此，以往开展的三轴压缩试验通常获得岩石试样受载过程中能量参数的演化规律，未针对地下工程岩体原位蓄积的应变能数值提出明确有效的计算方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法，本发明提供的方法能够有效的为地下工程安全施工提供基础数据支撑，尤其是深地工程。
本发明提供了一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、钻取不同赋存深度的岩心，将其加工成圆柱体试样，并进行编号；
步骤S2、对步骤S1获得的试样开展对应平均水平应力下的三轴压缩试验，分别获取所述试样所在赋存深度岩体的竖直应力、平均水平应力以及全应力-应变曲线数据；
步骤S3、基于步骤S2获得的全应力-应变曲线数据分别获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量和泊松比；
步骤S4：根据公式(3)计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值：
Figure GDA0002497988850000021
式(3)中：σv为试样所在赋存深度岩体的竖直应力；σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；Eh，av为平均水平应力作用下岩体的杨氏模量；μh，av为平均水平应力作用下岩体的泊松比。
具体的，所述步骤S2具体包括：
S2-1：基于地应力资料获取试样所在赋存深度岩体的竖直应力、最大水平主应力和最小水平主应力；
S2-2：根据公式(1)获取三轴压缩试验的平均水平应力：
Figure GDA0002497988850000022
式(1)中：σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；σh，max为试样所在赋存深度岩体的最大水平主应力；σh，min为试样所在赋存深度岩体的最小水平主应力；
S2-3：对所述试样施加平均水平应力至步骤S-2计算得到的平均水平应力值；
S2-4：对所述试样施加轴向偏应力至试样发生失稳破坏，分别获得试样的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线。
具体的，所述步骤S2-3中，以50～150N/s的加载速率对所述试样施加平均水平应力；
所述步骤S2-4中，以0.01～0.02mm/min的加载速率对所述试样施加轴向偏应力。
具体的，所述步骤S3包括：
基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量；
基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的泊松比。
具体的，所述步骤S1中，不同赋存深度的岩心选自同一地区。
具体的，所述步骤S1中，将岩心加工成Φ50mm×100mm的标准圆柱体试样。
本发明提供的测量方法考虑了不同赋存深度对于岩石变形参数的影响，完善了地下岩体原位蓄积能量的计算方法，对自蓄能岩体蓄能水平进行定量表征，为地下工程安全施工提供了基础数据支撑。
附图说明
图1为本发明实施例中平均水平应力随赋存深度增加的演化图；
图2为本发明实施例中试样的全应力-应变曲线；
图3为不同赋存深度岩体的变形参数随赋存深度的演化规律；
图4为不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值。
具体实施方式
本发明提供了一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、钻取不同赋存深度的岩心，将其加工成圆柱体试样，并进行编号；
步骤S2、对步骤S1获得的试样开展对应平均水平应力下的三轴压缩试验，分别获取所述试样所在赋存深度岩体的竖直应力、平均水平应力以及全应力-应变曲线数据；
步骤S3、基于步骤S2获得的全应力-应变曲线数据分别获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量和泊松比；
步骤S4：根据公式(3)计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值：
Figure GDA0002497988850000031
式(3)中：σv为试样所在赋存深度岩体的竖直应力；σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；Eh，av为平均水平应力作用下岩体的杨氏模量；μh，av为平均水平应力作用下岩体的泊松比。
本发明钻取不同赋存深度的岩心，将其加工成圆柱体试样，并进行编号。在本发明中，所述不同赋存深度的岩心选自同一地区，为三个以上。本发明优选将岩心加工成Φ50mm×100mm的标准圆柱体试样。
对步骤S1获得的试样开展对应平均水平应力下的三轴压缩试验，分别获取所述试样所在赋存深度岩体的竖直应力、平均水平应力以及全应力-应变曲线数据，具体包括以下步骤：
S2-1：基于地应力资料获取试样所在赋存深度岩体的竖直应力(σv)、最大水平主应力(σh，max)和最小水平主应力(σh，min)；
S2-2：根据公式(1)获取三轴压缩试验的平均水平应力：
Figure GDA0002497988850000041
式(1)中：σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；σh，max为试样所在赋存深度岩体的最大水平主应力；σh，min为试样所在赋存深度岩体的最小水平主应力；
S2-3：对所述试样施加平均水平应力至步骤S-2计算得到的平均水平应力值(σh，av)；
S2-4：对所述试样施加轴向偏应力至试样发生失稳破坏，分别获得试样的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线。
轴向偏应力-轴向应变曲线、轴向偏应力-径向应变曲线即为全应力-应变曲线。
在步骤S2-3中，以50～150N/s的加载速率对所述试样施加平均水平应力，优选以100N/s的加载速率对所述试样施加平均水平应力；
在步骤S2-4中，以0.01～0.02mm/min的加载速率对所述试样施加轴向偏应力，优选以0.015mm/min的加载速率对所述试样施加轴向偏应力。
然后基于步骤S2获得的全应力-应变曲线数据分别获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量和泊松比，具体为：
基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量(Eh，av)，基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的泊松比(μh，av)。
基于弹性力学理论，根据公式(3)计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值：
Figure GDA0002497988850000051
式(3)中：σv为试样所在赋存深度岩体的竖直应力；σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；Eh，av为平均水平应力作用下岩体的杨氏模量；μh，av为平均水平应力作用下岩体的泊松比。
进一步的，基于热力学定律，三向地应力输入单位体积岩体单元的能量包含内部蓄积的能量以及用于塑性变形和缺陷发育的耗散能量：
U＝Us+Ud (2)
式(2)中：U为地应力对单位体积岩体输入的能量；Us为单位体积岩体的自蓄能值；Ud为单位体积岩体的自身耗散的能量。
以下结合实施例对本发明提供的自蓄能岩体蓄能水平的测量方法进行进一步的说明。
实施例1
步骤S1：岩样选自中国纱岭建井工程区，岩性为花岗岩，钻取不同赋存深度的岩心，为充分体现变形参数与赋存深度的相关性，取心深度分别为500m、880m、1250m；
步骤S2：按照国际岩石力学学会标准试样规格，将岩心加工成Φ50mm×100mm的标准圆柱体试样，保证岩样表面无明显裂隙，端面平整，上下端面不平行度小于0.02mm，端面与轴向垂直最大偏差小于0.25°，并将赋存深度为500m、880m、1250m的试样分别编号为G1、G2、G3；
步骤S3：利用TAW-2000微机控制电液伺服实验系统，按照国家现行土工试验规程，对纱岭地区不同赋存深度的花岗岩试样进行对应平均水平应力的三轴压缩试验，具体步骤如下：
步骤S3-1：基于地应力资料获悉赋存深度分别为500m、880m、1250m岩体的竖直应力、最大水平主应力及最小水平主应力，具体应力环境如表1所示：
表1本发明实施例提供的岩体的应力环境
Figure GDA0002497988850000061
步骤S3-2：根据公式(1)计算获得三轴压缩试验的平均水平应力条件：
Figure GDA0002497988850000062
式(1)中：σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；σh，max为试样所在赋存深度岩体的最大水平主应力；σh，min为试样所在赋存深度岩体的最小水平主应力。
赋存深度500m、880m、1250m岩体的平均水平应力分别为15MPa、25MPa、35MPa，建立平均水平应力随赋存深度增加的演化图，如图1所示。
步骤S3-3：利用TAW-2000微机控制电液伺服实验系统的围压加载系统，以100N/s的加载速率对不同赋存深度的岩石试样施加平均水平应力至步骤S3-2计算得到的数值；
步骤S3-4：利用TAW-2000微机控制电液伺服实验系统的轴力加载系统，以0.015mm/min的加载速率持续加载轴向偏应力，直至试样发生失稳破坏，同时利用实验系统的记录装置实时记录、保存试验受载过程轴向偏应力-轴向应变、轴向偏应力-径向应变的数据，获得全应力-应变曲线数据，如图2所示；
步骤S4：通过轴向偏应力-轴向应变曲线获得试样所在赋存深度岩体的杨氏模量E，通过轴向应变与径向应变的比值获得试样所在赋存深度岩体的泊松比μ，不同赋存深度岩体的变形参数随赋存深度的演化规律，如图3所示，可以发现随着赋存深度的增加，岩体的杨氏模量增加，而泊松比无明显变化；
步骤S5：结合热力学定律、弹性力学理论，给出自蓄能岩体蓄能水平的计算方法，根据自蓄能值公式计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值。
自蓄能公式的构建，包括如下步骤：
步骤S5-1：基于热力学第一定律，假定地下岩体受三向地应力期间与外界没有发生热传递，三向地应力输入单位体积岩体单元的能量全部转化为蓄积能量和耗散能量，蓄积能量储存在岩体内部，当外界荷载卸去后随即释放，属于双向可逆的能量，而耗散能量则用于岩石内部微损伤发育及塑性变形等，属于不可逆的能量。具体公式如下：
U＝Us+Ud (2)
式(2)中：U为地应力对单位体积岩体输入的能量；Us为单位体积岩体的自蓄能值；Ud为单位体积岩体的自身耗散能量；
其中，单位体积岩体的自蓄能值Us按照公式(3)计算：
Figure GDA0002497988850000071
式(3)中：σv为岩体承受的竖直应力；σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；Eh，av为平均水平应力作用下岩体的杨氏模量；μh，av为平均水平应力作用下岩体的泊松比。
结果如图4所示，图4为不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值，可以发现岩体的自蓄能值随赋存深度的增加而上升。
本发明提供的方法考虑到岩体的变形参数并非固定值，而是随着赋存深度的加大，呈现出一定的规律变化，创新地提出了自蓄能岩体蓄能水平的计算方法，揭示了受到三向高应力作用下地下岩体内部蓄能的具体数值，为地下工程安全施工提供了基础数据支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自蓄能岩体蓄能水平的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、钻取不同赋存深度的岩心，将其加工成圆柱体试样，并进行编号；
步骤S2、对步骤S1获得的试样开展对应平均水平应力下的三轴压缩试验，分别获取所述试样所在赋存深度岩体的竖直应力、平均水平应力以及全应力-应变曲线数据；
步骤S3、基于步骤S2获得的全应力-应变曲线数据分别获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量和泊松比；
步骤S4：根据公式(3)计算不同赋存深度下单位体积岩体的自蓄能值：
Figure FDA0002784167560000011
式(3)中：σv为试样所在赋存深度岩体的竖直应力；σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；Eh，av为平均水平应力作用下岩体的杨氏模量；μh，av为平均水平应力作用下岩体的泊松比；
所述步骤S2具体包括：
S2-1：基于地应力资料获取试样所在赋存深度岩体的竖直应力、最大水平主应力和最小水平主应力；
S2-2：根据公式(1)获取三轴压缩试验的平均水平应力：
Figure FDA0002784167560000012
式(1)中：σh，av为试样所在赋存深度岩体的平均水平应力；σh，max为试样所在赋存深度岩体的最大水平主应力；σh，min为试样所在赋存深度岩体的最小水平主应力；
S2-3：对所述试样施加平均水平应力至步骤S2-2计算得到的平均水平应力值；
S2-4：对所述试样施加轴向偏应力至试样发生失稳破坏，分别获得试样的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线；
所述步骤S3包括：
基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的杨氏模量；
基于步骤S2-4获得的轴向偏应力-轴向应变曲线和轴向偏应力-径向应变曲线获得所述试样所在赋存深度岩体的泊松比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2-3中，以50～150N/s的加载速率对所述试样施加平均水平应力；
所述步骤S2-4中，以0.01～0.02mm/min的加载速率对所述试样施加轴向偏应力。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，不同赋存深度的岩心选自同一地区。
4.根据权利要求1～2任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，将岩心加工成Ф50mm×100mm的标准圆柱体试样。
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