CN112945750A - 一种低温岩石蠕变试验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温岩石蠕变试验装置以及系统，所述装置包括：低温冻融试验箱、底板、弹性元件、施压元件、顶板、应力检测元件、应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件以及检测数据自动采集器。所述系统包括：所述的低温岩石蠕变试验装置以及低温损伤蠕变分析装置。本发明解决了传统方法试验精度低、周期长等缺点，不足以支撑和模拟低温条件下岩石蠕变模型试验等技术问题；其能够很好的反映低温条件下不同含水状态软岩的瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变和塑性变形的特性，揭示了低温环境下岩石蠕变特性的影响机制，为寒区岩土工程长期稳定性评价和冻结法施工提供科学依据。

Description

一种低温岩石蠕变试验装置及系统

技术领域

本发明涉及技术低温环境下岩石蠕变试验领域，尤其涉及一种低温岩石蠕变试验装置及系统。

背景技术

随着我国寒区隧道、边坡、路基等岩土工程建设的不断发展，岩土体长期处于冻结状态，其力学特性与常温状态有着明显的差异性。当岩体的环境温度降低时，赋存于岩体内部孔隙及节理中的水分发生相变，导致其物理力学性质发生变化。

岩土工程的受力和变形只有从蠕变学的观点和方法出发，才能对工程实际问题做出有说服力的解释。在低温环境下岩石内部可能会产生冻胀力，发生损伤劣化，对其蠕变特征带来更大的影响。因此研究低温环境下岩石的蠕变力学性质对保证岩土工程的长期稳定性有着重要意义。

传统的试验方法把试件冻结后在拿到压力机上进行加压，这样耗费了大量的人力，浪费了大量的时间，从而导致试验精度低、周期长等缺点，不足以支撑和模拟低温条件下岩石蠕变模型试验；并且并没有考虑低温作用下岩石内部结构的变化对蠕变变形的重要的影响，已有的蠕变模型尚未考虑低温和含水率对岩石蠕变特性的影响，特别是考虑低温冻胀岩石蠕变与电阻率、波速等岩石参数之间的影响因素。

发明内容

基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种低温岩石蠕变试验装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种低温岩石蠕变试验装置，其特征在于，包括：低温冻融试验箱、底板、弹性元件、施压元件、顶板、应力检测元件、应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件以及检测数据自动采集器；其中，所述低温冻融试验箱能够调节箱体内的温度，为待测岩石提供低温测试环境；所述底板置于所述低温冻融试验箱箱体内的测试台上，待测岩石置于所述底板与顶板之间；所述应力检测元件固定在所述顶板上并通过弹性元件与所述底板相接触；所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件置于所述待测岩石表面，所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件与所述检测数据自动采集器相连接。

可选的，在其中一个实施例中，所述弹性元件为压缩弹簧，所述施压元件包括压力杆，所述应力检测元件包括测力螺母。

此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种低温岩石蠕变试验系统。

一种低温岩石蠕变试验系统，其特征在于，包括：上述方案所述的低温岩石蠕变试验装置以及低温损伤蠕变分析装置，所述低温损伤蠕变分析装置能够基于低温岩石蠕变试验装置所采集到的试验参数获取待测岩石对应的低温损伤蠕变分析结果。

可选的，在其中一个实施例中，所述低温损伤蠕变分析装置内置低温损伤蠕变分析模型，所述低温损伤蠕变分析模型的创建过程包括：

(S1)建立低温环境下岩石蠕变参数的方程：建立包含蠕变参数中的低温和含水率之间函数关系的蠕变参数函数，即E＝E(ω,T)、η＝η(ω,T)，式中ω为含水率、T为温度；

同时假设岩石为各向同性损伤，蠕变参数的变化规律相同，则蠕变参数方程表示为：

A(ω,T)＝A₀-A₀·H(ω,T) (1)

式中：A₀为蠕变参数初始值，H(ω,T)为蠕变参数随含水率和温度的变化方程。

同时建立低温环境下岩石蠕变参数的方程H(ω,T)，对应的公式为：

(S2)在低温岩石方程中引入非线性损伤黏性元件：

根据低温环境下不同含水率软岩的三轴蠕变试验结果，建立开关函数F(σ,ω,T)的表达式：

F(σ,ω,T)＝σ₁-σ₃-6.7T+1.2exp×(2.1+0.54ω+186.2ω²-1397.1ω³) (3)

给定判定条件即当F(σ,ω,T)＞0，开关为开启状态，非线性黏性损伤元件起到作用；当F(σ,ω,T)≤0时，开关为关闭状态，非线性黏性损伤元件不起作用，σ₁为第一主应力，σ₃为第三主应力；；

同时根据牛顿黏性定律，非线性损伤黏性元件应变率为

式中：σ为加载应力；η_F(ω,T,D)为黏性系数；

考虑低温、含水率以及应力对黏性系数的影响，黏性系数的表达式：

η_F(ω,T,D)＝η_F(ω,T)(1-D) (5)

式中：η_F(ω,T)为温度T下含水率ω软岩的黏性系数；D为损伤变量，0≤D<1；

考虑采用波速、电阻率来描低温对蠕变参数的损伤劣化D的影响，即

式中：α为拟合系数，t为时间，γ为电阻率，V_P为波速

因此非线性损伤黏性元件的黏性系数为

保持应力不变，非线性损伤黏性元件的本构关系模型为：

(S3)低温岩石损伤蠕变本构模型：考虑温度和含水率对蠕变参数的影响，确立岩石蠕变参数变化方程，并引入非线性黏性损伤元件，以建立低温岩石损伤蠕变本构模型即低温损伤蠕变分析模型；

低温损伤蠕变分析模型描述如下：

(1)当σ＜σ_s时，

式中：S_ij为偏应力张量；G₁、η₁分别为开尔文体的剪切模量和黏滞系数；G₂、η₂分别为麦克斯韦体的剪切模量和黏滞系数。

(2)当σ≥σ_s时，模型的三维本构关系为

式中

分别为开尔文体、麦克斯韦体、非线性损伤黏性原件和塑性体的应变率。

开尔文体：

式中：

为开尔文体的偏应变张量

麦克斯韦体：

非线性黏性损伤元件：

Mohr-Coulomb塑性体：

式中，

为开尔文体的球应变速率，λ为塑性因子，g为势函数，δ_ij为克罗内克符号。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明结构简单，有较强的综合性，能够开展低温环境下的岩石蠕变模型试验，同时能够测取岩石波速和电阻率的变化情况。且岩石的降温在试验中进行，避免了从低温箱中取出时造成的温度误差，提高了试验精度。同时本发明所述的低温岩石损伤蠕变本构模型，考虑低温和含水率对岩石蠕变特性的影响，引入非线性损伤黏性元件，采用波速、电阻率来描低温对蠕变参数的损伤劣化影响，能够反映低温岩石的瞬时弹性变形、衰减蠕变、等速蠕变、塑性性质和加速蠕变特征，揭示了低温环境下岩石蠕变的影响规律。

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。

其中：

图1为一个实施例中所述装置对应的结构示意图；

图2(a)、图2(b)为一个实施例中所获得的T＝-10℃，T＝-20℃时，低温环境下不同含水率岩石蠕变规律曲线图；

图3为一个实施例中所述系统对应的低温损伤蠕变本构模型示意图；

图4为一个实施例中所述系统对应的低温环境下岩石蠕变参数变化曲线；

图5为一个实施例中所述系统对应的低温环境下岩石非线性黏性损伤元件示意图；

图6为一个实施例中T＝-10℃，T＝-20℃时，对应的低温岩石损伤蠕变本构模型的验证图。

图中：1、低温冻融试验箱；2、底板；3、压缩弹簧；4、压力杆；5、顶板；6、测力螺母；7、导线；8、应变片；9、紫铜片；10、声发射探头；11、待测岩石；12、检测数据自动采集器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

在本实施例中，特提出了一种低温岩石蠕变试验装置，如图1-3所示，该装置，其特征在于，包括：低温冻融试验箱1、底板2、弹性元件、施压元件、顶板5、应力检测元件、应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件以及检测数据自动采集器；其中，所述低温冻融试验箱1能够调节箱体内的温度，为待测岩石提供低温测试环境；所述底板2置于所述低温冻融试验箱箱体内的测试台上，待测岩石11置于所述底板2与顶板5之间；所述应力检测元件固定在所述顶板上并通过弹性元件与所述底板2相接触；所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件置于所述待测岩石11表面，所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件通过导线7与所述检测数据自动采集器12相连接。

可选的，在其中一个实施例中，所述弹性元件为压缩弹簧3，所述施压元件包括压力杆4，所述应力检测元件包括测力螺母6，应变检测元件包括应变片8，电阻率检测元件包括紫铜片9，声波检测元件包括声发射探头10。

具体实验过程为：首先将不同含水率的待测岩石11放在冻融试验箱1内顶板5和底板2之间，接着在待测岩石11的表面安装应变片8、紫铜片9(电阻率)和声发射探头10，安装完毕后将导线7穿出试验箱连接在应变、电阻率、波速自动化采集和记录器即所述检测数据自动采集器12上，调试仪器实现实时自动化采集；接着通过压缩弹簧3对岩石施加荷载,各压缩弹簧3上应力保持一致，依据测力螺母6计算应力值，当达到设定值时后拧紧测力螺母6,通过测力螺母6将螺杆压力杆4在顶板上；打开低温冻融试验箱，按照设计的试验方案，调整温度将温度降到目标值，进行低温蠕变试验，在试验过程中记录岩石应变、电阻率和波速的变化情况，以开展低温环境下不同含水率岩石蠕变试验，具体技术方案如下，试验结果如图2所示。基于上述内容可知，本装置可以便捷测得岩石在低温环境下蠕变、电阻率以及波速等力学参数且装置操作方便，节省了大量的时间和人力，取得很好的试验效果；同时通过采用测力螺母对施加的荷载进行控制，减少试验误差且更为高效；即试验装置结构设计紧凑合理，性能稳定，经济实用，更有很好的应用价值。

此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种低温岩石蠕变试验系统，该系统基于所述的低温岩石蠕变试验装置，在考虑低温和含水率对岩石蠕变特性的影响下，进行不同含水率岩石低温蠕变试验，并引入非线性损伤黏性元件，通过波速、电阻率来描低温对蠕变参数的损伤劣化影响，进而反映低温岩石的瞬时弹性变形、衰减蠕变、等速蠕变、塑性性质和加速蠕变特征，从而揭示低温环境下岩石蠕变的影响规律。

如图3所示的一种低温岩石蠕变试验系统，其特征在于，包括：上述方案所述的低温岩石蠕变试验装置以及低温损伤蠕变分析装置，所述低温损伤蠕变分析装置能够基于低温岩石蠕变试验装置所采集到的试验参数获取待测岩石对应的低温损伤蠕变分析结果。

在其中一个实施例中，所述低温损伤蠕变分析装置内置低温损伤蠕变分析模型，所述低温损伤蠕变分析模型的创建过程包括：

(S1)建立低温环境下岩石蠕变参数的方程：试验结果表明岩石的弹性模量、黏性系数等参数受低温T和含水率ω影响较为显著，因此在蠕变模型应考虑低温和含水率的影响，因而建立包含蠕变参数中的低温和含水率之间函数关系的蠕变参数函数，即E＝E(ω,T)、η＝η(ω,T)，ω为含水率、T为温度。

同时假设岩石为各向同性损伤，蠕变参数的变化规律相同，则蠕变参数方程表示为：

A(ω,T)＝A₀-A₀·H(ω,T) (1)

式中：A₀为蠕变参数初始值，H(ω,T)为蠕变参数随含水率和温度的变化方程。

同时建立低温环境下岩石蠕变参数的方程H(ω,T)，如图4所示，对应的公式为：

(S2)在低温岩石方程中引入非线性损伤黏性元件：即当低温和含水率达到一限度时会对岩石内部会产生损伤，引入损伤变量D来描述黏性系数的劣化，即采用波速、电阻率来进行描述，构建了非线性损伤黏性元件，如图5所示。

根据低温环境下不同含水率软岩的三轴蠕变试验结果，建立开关函数F(σ,ω,T)的表达式：

F(σ,ω,T)＝σ₁-σ₃-6.7T+1.2exp×(2.1+0.54ω+186.2ω²-1397.1ω³) (3)

由于开关函数只有低温和含水率达到一限度时对岩石内部才会产生损伤。则给定判定条件即当F(σ,ω,T)＞0，开关为开启状态，非线性黏性损伤元件起到作用；当F(σ,ω,T)≤0时，开关为关闭状态，非线性黏性损伤元件不起作用，σ₁为第一主应力，σ₃为第三主应力；第一主应力即轴压，第三主应力即围压，为试验设置值。

同时根据牛顿黏性定律，非线性损伤黏性元件应变率为

式中：σ为加载应力；η_F(ω,T,D)为黏性系数。

考虑低温、含水率以及应力对黏性系数的影响，有黏性系数的表达式：

η_F(ω,T,D)＝η_F(ω,T)(1-D) (5)

式中：η_F(ω,T)为温度T下含水率ω软岩的黏性系数；D为损伤变量，0≤D<1。

考虑采用波速、电阻率来描低温对蠕变参数的损伤劣化D的影响，即

式中：α为拟合系数，t为时间，γ为电阻率，V_P为波速

因此非线性损伤黏性元件的黏性系数为

保持应力不变，非线性损伤黏性元件的本构关系模型为：

(S3)低温岩石损伤蠕变本构模型：由于低温条件下岩石具有瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变和塑性变形的特征，考虑温度和含水率对蠕变参数的影响，确立岩石蠕变参数变化方程，并引入非线性黏性损伤元件，以建立低温岩石损伤蠕变本构模型即低温损伤蠕变分析模型，如图3所示。

低温损伤蠕变分析模型描述如下：

(1)当σ＜σ_s时，

式中：S_ij为偏应力张量；G₁、η₁分别为开尔文体的剪切模量和黏滞系数；G₂、η₂分别为麦克斯韦体的剪切模量和黏滞系数。

(2)当σ≥σ_s时，模型的三维本构关系为

式中

分别为开尔文体、麦克斯韦体、非线性损伤黏性原件和塑性体的应变率。

开尔文体：

式中：

为开尔文体的偏应变张量

麦克斯韦体：

非线性黏性损伤元件：

Mohr-Coulomb塑性体：

式中，

为开尔文体的球应变速率，λ为塑性因子，g为势函数，δ_ij为克罗内克符号。

本案创建的模型很好解决了传统的蠕变模型如Burgers模型无法反映低温和含水率对蠕变特性的影响，且不能反映加速蠕变和塑性变形的特征的问题。

基于上述内容，对所述低温岩石损伤蠕变本构模型进行验证：为了验证蠕变模型的合理性，利用FLAC^3D建立数值试验模型，采用本文开发的蠕变损伤模型程序进行数值计算，将数值模拟曲线与试验曲线进行对比。图6中可以看出，数值模拟曲线与试验曲线吻合程度较好，虽然在数值上存在一定偏差，但变化规律基本相似。创建的低温岩石损伤蠕变本构模型能够很好的反映低温条件下不同含水状态软岩的瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变和塑性变形的特性，验证了模型的合理性。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

1、考虑温度和含水率对蠕变参数的影响，本发明确立了岩石蠕变参数变化方程；

2、本发明引入损伤变量D来描述黏性系数的劣化，采用波速、电阻率来进行描述，构建了非线性损伤黏性元件。

3、本发明的低温岩石损伤蠕变本构模型能够准确反映低温条件下岩石的瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变和塑性变形的特征。

因此本发明通过低温岩石蠕变试验装置并建立了低温损伤蠕变本构模型，揭示了低温环境下岩石蠕变特性的影响机制，为寒区岩土工程长期稳定性评价和冻结法施工提供科学依据。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种低温岩石蠕变试验装置，其特征在于，包括：低温冻融试验箱、底板、弹性元件、施压元件、顶板、应力检测元件、应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件以及检测数据自动采集器；其中，所述低温冻融试验箱能够调节箱体内的温度，为待测岩石提供低温测试环境；所述底板置于所述低温冻融试验箱箱体内的测试台上，待测岩石置于所述底板与顶板之间；所述应力检测元件固定在所述顶板上并通过弹性元件与所述底板相接触；所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件置于所述待测岩石表面，所述应变检测元件、电阻率检测元件、声波检测元件与所述检测数据自动采集器相连接。

2.根据权利要求1所述的低温岩石蠕变试验装置，其特征在于，所述弹性元件为压缩弹簧，所述施压元件包括压力杆，所述应力检测元件包括测力螺母。

3.一种低温岩石蠕变试验系统，其特征在于，包括：权利要求1-2任意一项所述的低温岩石蠕变试验装置以及低温损伤蠕变分析装置，所述低温损伤蠕变分析装置能够基于低温岩石蠕变试验装置所采集到的试验参数获取待测岩石对应的低温损伤蠕变分析结果。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述低温损伤蠕变分析装置内置低温损伤蠕变分析模型，所述低温损伤蠕变分析模型的创建过程包括：

(S1)建立低温环境下岩石蠕变参数的方程：建立包含蠕变参数中的低温和含水率之间函数关系的蠕变参数函数，即E＝E(ω,T)、η＝η(ω,T)，式中ω为含水率、T为温度；

同时假设岩石为各向同性损伤，蠕变参数的变化规律相同，则蠕变参数方程表示为：

A(ω,T)＝A₀-A₀·H(ω,T) (1)

式中：A₀为蠕变参数初始值，H(ω,T)为蠕变参数随含水率和温度的变化方程；

同时建立低温环境下岩石蠕变参数的方程H(ω,T)，对应的公式为：

(S2)在低温岩石方程中引入非线性损伤黏性元件：

根据低温环境下不同含水率软岩的三轴蠕变试验结果，建立开关函数F(σ,ω,T)的表达式：

F(σ,ω,T)＝σ₁-σ₃-6.7T+1.2exp×(2.1+0.54ω+186.2ω²-1397.1ω³) (3)

给定判定条件即当F(σ,ω,T)＞0，开关为开启状态，非线性黏性损伤元件起到作用；当F(σ,ω,T)≤0时，开关为关闭状态，非线性黏性损伤元件不起作用，σ₁为第一主应力，σ₃为第三主应力；

同时根据牛顿黏性定律，非线性损伤黏性元件应变率为

式中：σ为加载应力；η_F(ω,T,D)为黏性系数；

考虑低温、含水率以及应力对黏性系数的影响，黏性系数的表达式：

η_F(ω,T,D)＝η_F(ω,T)(1-D) (5)

式中：η_F(ω,T)为温度T下含水率ω软岩的黏性系数；D为损伤变量，0≤D<1；

考虑采用波速、电阻率来描低温对蠕变参数的损伤劣化D的影响，即

式中：α为拟合系数，t为时间，γ为电阻率，V_P为波速

因此非线性损伤黏性元件的黏性系数为

保持应力不变，非线性损伤黏性元件的本构关系模型为：

(S3)低温岩石损伤蠕变本构模型：考虑温度和含水率对蠕变参数的影响，确立岩石蠕变参数变化方程，并引入非线性黏性损伤元件，以建立低温岩石损伤蠕变本构模型即低温损伤蠕变分析模型；

低温损伤蠕变分析模型描述如下：

(1)当σ＜σ_s时，

式中：S_ij为偏应力张量；G₁、η₁分别为开尔文体的剪切模量和黏滞系数；G₂、η₂分别为麦克斯韦体的剪切模量和黏滞系；

(2)当σ≥σ_s时，模型的三维本构关系为

式中：

分别为开尔文体、麦克斯韦体、非线性损伤黏性原件和塑性体的应变率。

开尔文体：

式中：

为开尔文体的偏应变张量，

麦克斯韦体：

非线性黏性损伤元件：

Mohr-Coulomb塑性体：

式中，

为球应变速率，λ为塑性因子，g为势函数，δ_ij为克罗内克符号。

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