CN112198051B - 侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法及应用，该方法包括步骤S1、进行岩石试样在不同侧压下的拉伸试验，获取岩石在不同侧压下的拉伸应力‑应变曲线；步骤S2、根据岩石在不同侧压下的拉伸应力‑应变曲线，计算岩石在不同侧压下的拉伸总能量，获得多组侧压与拉伸总能量数据；步骤S3、根据多组侧压与拉伸总能量数据推导出岩石拉伸破裂准则，根据准则得到拉伸总能量的计算值；当拉伸总能量的测量值小于计算值，则岩石未发生破裂；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则岩石发生破裂。本发明为通过拉伸总能量判定岩石破裂提供一个对比基准，同时为工程岩体的稳定性控制和失稳预警提供理论依据。

Description

侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法及应用
技术领域
本发明涉及岩石力学技术领域，尤其涉及一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法及应用。
背景技术
在公路隧道建设、地下洞室开挖以及采矿等深部岩石工程中，始终伴随有能量的积累与释放。在隧道开挖和边坡卸荷过程中，岩石中积累的巨大能量在突然释放时会产生剧烈岩爆，能量释放的瞬间岩石存在明显的拉伸破坏，对整个工程建设的设备和人员都有非常大的威胁。因此，了解岩石在侧压条件下的拉伸破裂过程中的能量演化，了解岩石拉伸破坏的能量积累与释放机制，对于实际工程应用很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法及应用。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法，其特征在于，该方法通过公式(7)的岩石拉伸破裂准则得到拉伸总能量的计算值；
Figure BDA0002707723720000011
其中，m、n为常数；U是岩石的拉伸总能量；σr是岩石受到的侧压；e是自然对数的底数；
当拉伸总能量的测量值小于计算值，则岩石未发生破裂；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则岩石发生破裂。
该方法的具体步骤是：
步骤S1、进行岩石试样在不同侧压下的拉伸试验，获取岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线；
步骤S2、根据岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线，计算岩石在不同侧压下的拉伸总能量，获得多组侧压与拉伸总能量数据；
步骤S3、根据多组侧压与拉伸总能量数据推导出岩石拉伸破裂准则，根据准则得到拉伸总能量的计算值；当拉伸总能量的测量值小于计算值，则岩石未发生破裂；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则岩石发生破裂。
步骤S1中拉伸试验的过程是：
1-1制备岩石试样，岩石试样的两端分别粘结带螺纹孔的金属端头；
1-2将岩石试样竖直安装在拉伸-压缩转换装置上，将岩石试样两端的金属端头与拉伸-压缩转换装置上、下部的连接端固连；然后将安装有岩石试样的拉伸-压缩转换装置整体密封在三轴压缩试验机的侧压腔中，三轴压缩试验机的两个加载头分别与拉伸-压缩转换装置的加载端固连，向侧压腔内充入硅油；
1-3对岩石试样施加侧压，待侧压值稳定后对岩石试样逐渐施加轴向压力；当岩石试样发生断裂，三轴压缩试验机停止加载。
岩石试样采用花岗岩制成，岩石试样为高100mm，直径为50mm的圆柱体。
本发明还提供一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法的应用，其特征在于，需要预先进行岩石试样的拉伸试验，获得多组侧压与拉伸总能量满足公式(7)关系时的对应两个参数m、n的取值；在实际工程中，实时测量岩石的拉伸总能量，得到测量值；同时通过测量得到岩石受到的侧压；将岩石的侧压和对应的m、n取值代入公式(7)中，得到岩石拉伸总能量的计算值；
Figure BDA0002707723720000021
当拉伸总能量的测量值小于计算值，则判定岩石未发生破裂，可以继续开挖；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则判定岩石发生破裂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出的岩石拉伸破裂准则为岩石破裂识别提供一种依据，为通过拉伸总能量判定岩石破裂提供一个对比基准，同时为工程岩体的稳定性控制和失稳预警提供理论依据；在实际工程中，根据岩石所受的侧压和拉伸破裂准则能够得到拉伸总能量的计算值，将拉伸总能量的计算值与测量值进行对比，即可判断岩石是否发生破裂，同时可以对岩石在侧压下的拉伸能量进行预测，方法简单可行。
2.本发明提出了一种侧压作用下的岩石拉伸试验方法，通过岩石的测量数据能够了解岩石拉伸过程中的能量演化过程，试验方法简单可行，容易理解和实现，不仅能够较好地反映岩石在侧压条件下的拉伸能量的演化趋势，而且有效填补了岩石在侧压下的破裂识别方面的空白。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为本发明的岩石试样在侧压为3MPa下的拉伸应力-应变曲线图；
图3为本发明的岩石试样的侧压与拉伸总能量的关系曲线图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法(简称方法，参见1-3)，包括以下步骤：
步骤S1、进行岩石试样在不同侧压下的拉伸试验，获取岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线；
1-1采用花岗岩制备岩石试样，将岩石试样加工为高100mm，直径为50mm的圆柱体；试样加工精度和表面平整度符合国标；岩石试样的两端通过强力胶(9900丙烯酸结构胶)分别粘结有带螺纹孔的金属端头，并放置48小时，以达到粘结强度；
1-2将岩石试样竖直安装在拉伸-压缩转换装置上，分别通过螺栓将岩石试样两端的金属端头与拉伸-压缩转换装置上、下部的连接端固连；然后将安装有岩石试样的拉伸-压缩转换装置整体密封在三轴压缩试验机的侧压腔内，三轴压缩试验机的两个加载头分别与拉伸-压缩转换装置的加载端固连，向侧压腔内充入硅油，通过挤压硅油对岩石试样施加侧压力；
拉伸-压缩转换装置的结构及原理见专利CN201611055843.7，其作用是将三轴压缩试验机的压应力转换为拉伸应力；三轴压缩试验机可采用TFD-2000L微机伺服控制岩石三轴流变试验机，该试验机轴向最大试验力可达2000kN、最大侧压100Mpa、温度控制范围为室温至200℃；
1-3对岩石试样施加侧压，待侧压值稳定后对岩石试样逐渐施加轴向压力，拉伸-压缩转换装置将岩石试样的轴向压力转换为拉伸应力，实现岩石试样的拉伸试验，三轴压缩试验机测量并记录岩石试样受到的侧压、拉伸强度、轴向应变和环向应变；当岩石试样发生断裂，三轴压缩试验机停止加载，至此完成一次拉伸试验；然后改变侧压力，再对岩石试样进行拉伸试验，并在不同侧压下重复试验多次，三轴压缩试验机测量并记录多组不同侧压对应的拉伸应力、轴向应变和环向应变；
根据试验中的侧压、拉伸强度、轴向应变和环向应变，获取岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线如图2所示，图中x轴为应变量，x轴的负向表示轴向应变(拉伸为负)，x轴的正向为环向应变(压缩为正)；y轴为岩石的应力变化量，表示岩石试样在某一侧压值下开始受到拉伸作用，直到岩石试样发生破裂；坐标轴与应力变化曲线围成的区域的面积表示岩石在相应阶段的应变能量；
步骤S2、根据岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线，计算岩石在不同侧压下的拉伸总能量，获得多组侧压与拉伸总能量数据；
由图2的拉伸应力-应变曲线可知，岩石在不同侧压下的拉伸能量一共由四部分组成，分别按照公式(2)-(5)计算岩石在各阶段的应变能量以及初始侧压能；
Figure BDA0002707723720000031
Figure BDA0002707723720000032
U3＝2∫σrdεr (4)
Figure BDA0002707723720000033
其中，U1是轴向应力做的负功；U2是轴向应力做的正功；U3是侧压与环向应变所做的功；σa是岩石的拉伸强度；εa是岩石轴向应变；εr是岩石的环向应变；σ0是初始侧压；U0是初始侧压能；νu是岩石的初始泊松比，其取值为U1段中环向应变的50％与轴向应变的50％之比；Eμ是岩石的初始弹性模量，其取值为U1段中拉伸强度的50％与轴向应变的50％之比；ε0是轴向应力为0时，岩石的轴向应变；
按照公式(6)计算代表岩石在侧压条件下的拉伸总能量U；
U＝U0+U1+U2+U3 (6)
通过试验获取多组不同侧压下的拉伸总能量如下表所示：
Figure BDA0002707723720000041
步骤S3、根据多组侧压与拉伸总能量数据拟合出侧压与拉伸总能量的关系曲线(图3)，并推导出如公式(7)所示的岩石拉伸破裂准则，根据岩石拉伸破裂准则判定岩石是否破裂；
Figure BDA0002707723720000042
其中，m、n为与岩石材料属性相关的常数，不同岩石材料m、n的取值不同；U是岩石的拉伸总能量；σr是岩石受到的侧压；e是自然对数的底数。
应用岩石拉伸破裂准则时，需要预先根据步骤S1和S2的操作进行岩石试样的拉伸试验，获得不同岩石对应的m、n两个参数的取值；在实际工程比如边坡开挖中，通过声发射等现有技术实时测量岩石的拉伸总能量，得到测量值；同时通过测量得到岩石受到的侧压；将岩石的侧压和对应的m、n取值代入公式(7)中，得到岩石拉伸总能量的计算值；当拉伸总能量的测量值小于计算值，则判定岩石未发生破裂，可以继续开挖；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则判定岩石发生破裂；岩石拉伸破裂准则为实际工程中的岩石破裂识别提供一种依据，为通过拉伸总能量判定岩石破裂提供一个对比基准。
本发明分别对砂岩、页岩和大理岩进行了相同的实验，这三种岩石的侧压与拉伸总能量关系均满足公式(7)。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：
步骤S1、进行岩石试样在不同侧压下的拉伸试验，获取岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线；
1-1制备岩石试样，岩石试样的两端分别粘结带螺纹孔的金属端头；
1-2将岩石试样竖直安装在拉伸-压缩转换装置上，将岩石试样两端的金属端头与拉伸-压缩转换装置上、下部的连接端固连；然后将安装有岩石试样的拉伸-压缩转换装置整体密封在三轴压缩试验机的侧压腔中，三轴压缩试验机的两个加载头分别与拉伸-压缩转换装置的加载端固连，向侧压腔内充入硅油；
1-3对岩石试样施加侧压，待侧压值稳定后对岩石试样逐渐施加轴向压力；当岩石试样发生断裂，三轴压缩试验机停止加载；
步骤S2、根据岩石在不同侧压下的拉伸应力-应变曲线，计算岩石在不同侧压下的拉伸总能量，获得多组侧压与拉伸总能量数据；
步骤S3、根据多组侧压与拉伸总能量数据推导出岩石拉伸破裂准则，通过公式(7)的岩石拉伸破裂准则得到拉伸总能量的计算值；
Figure FDA0003701426040000011
其中，m、n为常数；U是岩石的拉伸总能量；σr是岩石受到的侧压；e是自然对数的底数；
当拉伸总能量的测量值小于计算值，则岩石未发生破裂；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则岩石发生破裂。
2.根据权利要求1所述的侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法，其特征在于，岩石试样采用花岗岩制成，岩石试样为高100mm，直径为50mm的圆柱体。
3.一种侧压作用下基于能量演化的岩石拉伸破裂识别方法的应用，其特征在于，需要预先进行岩石试样的拉伸试验，获得多组侧压与拉伸总能量满足公式(7)关系时的对应两个参数m、n的取值；在实际工程中，实时测量岩石的拉伸总能量，得到测量值；同时通过测量得到岩石受到的侧压；将岩石的侧压和对应的m、n取值代入公式(7)中，得到岩石拉伸总能量的计算值；
Figure FDA0003701426040000012
当拉伸总能量的测量值小于计算值，则判定岩石未发生破裂，可以继续开挖；当拉伸总能量的测量值大于计算值，则判定岩石发生破裂。
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