CN112198052B - 岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法及应用 - Google Patents

岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，该方法根据岩石围压与拉伸强度的关系准则计算岩石的拉伸强度。该方法包括步骤S1、进行岩石试样在不同围压条件下的拉伸试验，获取岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度；步骤S2、根据不同围压及其对应的拉伸强度进行数据拟合，确定当前岩石材料属性相关的常数值，再根据确定的岩石围压与拉伸强度的关系准则，计算出当前岩石在不同围压条件下的拉伸强度。该方法提出的岩石围压与拉伸强度的关系准则为岩石破裂识别提供一种依据，为通过拉伸强度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

岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法及应用
技术领域
本发明涉及岩石力学研究技术领域，具体是一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法及应用。
背景技术
在绝大多数岩石工程的建设施工中经常会遇到岩石拉伸破坏，如隧道开挖、地下洞室施工、高陡边坡卸荷以及采矿等。岩石破裂过程中往往伴随着较大的地应力，也就是岩石会受到围压，而在复杂地应力条件下的拉伸破坏往往更加剧烈，一旦处理不当，很可能造成施工进度延缓以及对人员设备等造成损害。目前普遍将岩石破裂过程等效为单纯的单向拉伸破坏，而忽略岩石在实际环境中会受到围压作用，因此有必要对围压条件下的岩石拉伸强度进行深入研究。
目前对于岩石在不同围压条件下拉伸强度的研究还比较少，更没有一个通用性的围压与拉伸强度之间的关系准则，无法对在围压作用下的岩石拉伸破坏强度变化进行预测。
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，提供一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法以应用。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，其特征在于，该方法根据公式(1)的岩石围压与拉伸强度的关系准则计算岩石的拉伸强度；
Figure BDA0002708125540000011
其中，σ3为拉伸强度，σ1为围压值；m、n、k、q和a为常数。
该方法包括以下步骤：
步骤S1、进行岩石试样在不同围压条件下的拉伸试验，获取岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度；
步骤S2、根据不同围压及其对应的拉伸强度进行数据拟合，确定公式(1)中的当前岩石材料属性相关的常数值，再根据确定的岩石围压与拉伸强度的关系准则，计算出当前岩石在不同围压条件下的拉伸强度。
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围压腔中，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，向围压腔内充入硅油；
1-3对岩石试样施加围压，待围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，停止拉伸。
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。
本发明还提供一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法的应用，其特征在于，需要预先进行岩石试样的拉伸试验，确定不同岩石材料对应的m、n、k、q和a的取值；测量某处岩石的围压值，根据公式(1)的关系准则计算得到该处岩石破裂时拉伸强度的理论值；
Figure BDA0002708125540000021
实时监测该处岩石的实际强度，当岩石的实际强度小于拉伸强度的理论值时表示岩石未发生破裂，可以继续开挖；当岩石的实际强度大于或等于拉伸强度的理论值时表示岩石发生破裂，需要停止开挖操作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出的岩石围压与拉伸强度的关系准则为岩石破裂识别提供一种依据，为通过拉伸强度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，将拉伸强度的理论值与测量值进行对比，即可判断岩石是否发生破裂，同时可以对岩石的拉伸强度进行预测，方法简单可行。
2.本发明提出的一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，是一种全新的岩石拉伸强度确定方法，其采用分段函数的方式对岩石的拉伸强度进行确定，很好地揭示了岩石在不同围压下拉伸强度的演化规律；通过此方法能够更加直观的了解岩石的拉伸力学行为，认识岩石的拉伸破坏特征，为地下工程、边坡开挖和采矿等引起的岩石拉伸破坏失稳提供预警和防控建议。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为本发明的实施例中花岗岩所受围压与拉伸强度的关系曲线图。
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。
本发明提供了一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法(简称方法，参见图1-2)，包括以下步骤：
步骤S1、进行岩石试样在不同围压条件下的拉伸试验，获取岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度；
步骤S2、根据不同围压及其对应的拉伸强度进行数据拟合，建立如公式(1)的岩石围压与拉伸强度的关系准则，根据准则计算岩石的拉伸强度；
Figure BDA0002708125540000022
其中，σ3为拉伸强度，σ1为围压值；m、n、k、q和a为与岩石材料属性相关的常数，不同岩石材料这些常数的取值不同。
实施例
本实施例提供一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，包括以下步骤：
步骤S1、进行岩石试样在不同围压条件下的拉伸试验，获取岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度；
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围压腔中，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，向围压腔内充入硅油，通过挤压硅油对岩石试样施加围压；
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对岩石试样施加围压，待围压值稳定后对岩石试样逐渐施加轴向压力，拉伸-压缩转换装置将轴向压力转换为拉伸应力，实现岩石试样的拉伸试验；当岩石试样发生断裂，停止拉伸，三轴压缩试验机测量并记录此时的拉伸强度；改变围压值，再对岩石试样进行拉伸试验，重复试验多次，三轴压缩试验机测量并记录多组围压值及其对应的拉伸强度，结果如表1所示；
表1不同围压下的拉伸强度
围压(MPa) 拉伸强度(MPa)
0 -7.68
3 -8.71
6 -8.99
9 -8.40
12 -6.79
15 -7.41
18 -6.34
20 -4.34
21 -4.20
24 -2.31
28 -1.21
步骤S2、根据不同围压及其对应的拉伸强度进行数据拟合，建立如公式(1)的岩石围压与拉伸强度的关系准则；根据围压与拉伸强度的关系准则计算岩石的拉伸强度；
将表1中的试验数据进行拟合，得到花岗岩的拉伸强度与围压的关系曲线(如图2所示)，通过分析发现，花岗岩的拉伸强度与围压的关系曲线由非常明显的两部分组成：即围压水平较小时，花岗岩的拉伸强度随围压增大呈现出二次函数曲线变化趋势；当围压水平较大时，花岗岩的拉伸强度随围压增大呈现出一次函数线性变化趋势，两段曲线在连接点处光滑连续且可导；
Figure BDA0002708125540000041
根据图2中的关系曲线推导出如公式(1)的围压与拉伸强度的关系准则，σ3为拉伸强度，σ1为围压值，此时m取0.0213，n取-0.2398，k取-7.938，q取-13.936，a取16.77。
应用岩石围压与拉伸强度的关系准则时，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，确定不同岩石材料对应的m、n、k、q和a的取值；该关系准则可以用于防止岩石垮塌，比如隧道开挖工程中，可以通过测量得到某处岩石的围压值，根据公式(1)的关系准则计算得到该处岩石破裂时拉伸强度的理论值；通过水压致裂法等现有方法实时监测该处岩石的实际强度，当岩石的实际强度小于拉伸强度的理论值时表示岩石未发生破裂，可以继续开挖；当岩石的实际强度大于或等于拉伸强度的理论值时表示岩石发生破裂，需要停止开挖操作。该关系准则还能用于实验室中对微小围压或者特别大围压条件下的岩石拉伸强度进行预测，由于微小围压不易控制，特大围压实施特别危险，均不容易实施，利用该关系准则就可以不需要进行试验直接获得这两种情况下的岩石拉伸强度。
本申请分别对砂岩、页岩和大理岩进行相同的操作，得出这三种岩石的拉伸强度与围压的关系曲线均满足：围压水平较小时，岩石的拉伸强度随围压增大呈现出二次函数曲线变化趋势；当围压水平较大时，岩石的拉伸强度随围压增大呈现出一次函数线性变化趋势，两段曲线在连接点处光滑连续且可导，也就是不同材料的岩石均存在这种关系准则。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，其特征在于，该方法根据公式(1)的岩石围压与拉伸强度的关系准则计算岩石的拉伸强度；
Figure FDA0002708125530000011
其中，σ3为拉伸强度，σ1为围压值；m、n、k、q和a为常数。
2.根据权利要求1所述的岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1、进行岩石试样在不同围压条件下的拉伸试验，获取岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度；
步骤S2、根据不同围压及其对应的拉伸强度进行数据拟合，确定公式(1)中的当前岩石材料属性相关的常数值，再根据确定的岩石围压与拉伸强度的关系准则，计算出当前岩石在不同围压条件下的拉伸强度。
3.根据权利要求2所述的岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，其特征在于，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围压腔中，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，向围压腔内充入硅油；
1-3对岩石试样施加围压，待围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，停止拉伸。
4.根据权利要求3所述的岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法，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。
5.一种岩石在围压条件下的拉伸强度计算方法的应用，其特征在于，需要预先进行岩石试样的拉伸试验，确定不同岩石材料对应的m、n、k、q和a的取值；测量某处岩石的围压值，根据公式(1)的关系准则计算得到该处岩石破裂时拉伸强度的理论值；
Figure FDA0002708125530000012
实时监测该处岩石的实际强度，当岩石的实际强度小于拉伸强度的理论值时表示岩石未发生破裂，可以继续开挖；当岩石的实际强度大于或等于拉伸强度的理论值时表示岩石发生破裂，需要停止开挖操作。
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