CN113484499B - 一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法 - Google Patents

一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法 Download PDF

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Abstract

一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，属于岩土工程技术领域。所述基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，包括如下步骤：S1、选择岩石试件；S2、进行岩石单轴压缩逐级循环加载实验：对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂；实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的表面温度，并记录；S3、对岩石试件的表面温度进行数据处理：根据岩石试件各级荷载施加过程中表面温度的温度下限与加载时间的关系，得到压密阶段与弹性阶段的分界点以及弹性阶段与破裂阶段的分界点。所述基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法能够对岩石变形阶段进行有效识别，实验易操作，数据处理过程简单，实验结果清晰且客观。

Description

一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法。
背景技术
岩石在受力作用下，内部结构将发生变化，裂纹的萌生与扩展会使得岩石材料强度降低，裂纹最终扩展贯通引起岩土工程的失稳破坏。岩石的变形阶段直接反映了岩石内部不同的损伤状态，对于岩石变形阶段的准确划分，对预防岩石工程灾害具有重大实际意义。
目前，关于岩石变形阶段的识别方法主要是通过识别岩石单轴单调加载变形曲线或结合变形过程中声发射信号的阶段分界点确定岩石不同阶段的应力阈值，以此进行岩石不同变形阶段的划分。岩石加载至破裂整个过程可被分为三个变形阶段，即压密阶段、弹性变形阶段、破坏阶段。压密应力为压密阶段与弹性阶段的分界点，该应力阈值的确定方法，目前有观察法，移动点回归法，应变刚度法，轴向应变差法，以及压缩系数法等；起裂应力为弹性阶段与破坏阶段的分界点，该应力阈值的确定方法，目前主要有裂纹体积应变法，横向应变差法，相对压缩系数差法，能量法，应变-声发射法等。
关于岩石变形阶段划分的已有方法中，直接观察法、移动点回归法以及应变刚度法数据处理过程简单，但受人为主观判断影响，误差较大；裂纹体积应变法的结果精度依赖于弹性常数(弹性模量和泊松比)选取的准确性；应变差法(包括轴向应变差法、横向应变差法以及压缩系数差法)虽具有可靠的客观的数学依据，但其物理含义不清晰；而声发射信息易受到背景噪音影响，无法准确识别岩石的应力阈值。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其基于岩石单轴压缩逐级循环加载作用下温度变化的阶段特征，对岩石变形阶段进行有效识别，实验易操作，数据处理过程简单，实验结果清晰且客观。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，包括如下步骤：
S1、选择岩石试件；
S2、进行岩石单轴压缩逐级循环加载实验：
对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂；实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的表面温度，并记录；
S3、对岩石试件的表面温度进行数据处理：
根据岩石试件各级荷载施加过程中表面温度的温度下限与加载时间的关系，确定岩石试件从开始施加荷载到破裂过程中的温度下限最大值T1，并得到所述温度下限最大值T1处的加载时间t1，再确定从所述加载时间t1到岩石试件破裂这段时间内的温度下限最小值T2，并得到所述温度下限最小值T2处的加载时间t2；
所述加载时间t1对应的加载循环内的应力峰值为压密阶段与弹性阶段的分界点；
所述加载时间t2对应的加载循环内的应力峰值为弹性阶段与破裂阶段的分界点。
进一步的，所述步骤S2中，对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂的具体加载方式为：
进行第1级循环，从0kN开始施加荷载，施加a kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第2级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第3级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+2d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；以此类推，
进行第n级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+(n-1)d kN的荷载，在第n级加载过程中，岩石试件破裂。
进一步的，所述步骤S2中，所述实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的温度下限具体为：实时采集第1至n级加载过程中，每级卸载至bkN时岩石试件的温度。
进一步的，所述b大于等于0。
进一步的，所述岩石试件为圆柱形试件。
进一步的，所述步骤S1中，对所述岩石试件进行隔热处理，并对岩石试件进行静置观测。
进一步的，所述步骤S2中，岩石单轴压缩逐级循环加载实验中力的控制方式为荷载控制。
进一步的，所述步骤S2中，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验采用岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统实现，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统包括用于向岩石试件施加荷载的加载单元以及采集岩石试件表面温度的温度采集单元。
进一步的，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统还设置了声发射信号采集单元和应变采集单元。
本发明的有益效果：
1)本发明为岩石强度特征值的确定提供了新思路，提出了一种实验操作、数据处理简单，物理意义清晰，实验结果明确且客观的岩石变形阶段识别的方法；
2)本发明能够准确识别岩石变形阶段，对于深入分析岩石变形破坏过程、不同变形阶段岩石的力学机制、破坏的强度准则以及工程参数取值等具有重要的理论意义；
3)在工程实际中，通过本发明的方法识别岩石变形阶段，对于了解工程岩体渐进破坏过程、评价岩体稳定性以及岩体灾变监测预警防灾减灾具有重要的实际意义。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法的主流程图；
图2是本发明实施例提供的岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统的示意图；
图3是本发明实施例提供的对岩石试件施加逐级循环荷载的示意图；
图4是本发明实施例提供的温度-加载时间曲线和应力-加载时间曲线；
图5是本发明实施例提供的温度下限-加载时间曲线；
图6是本发明提供的应变上限-应力曲线，其中，(a)为轴向应变上限-应力曲线、(b)为横向应变上限-应力曲线、(c)为体应变上限-应力曲线；
图7是本发明提供的应变下限-加载时间曲线，其中，(a)为轴向应变下限-加载时间曲线、(b)为横向应变下限-加载时间曲线、(c)为体应变下限-加载时间曲线；
图8是本发明提供的声发射-加载时间曲线，其中，(a)为加载全程声发射-加载时间曲线、(b)为前1000s声发射-加载时间曲线。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图8所示，本发明提供了一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，包括如下步骤：
S1、选择岩石试件，岩石试件为圆柱形试件；
S2、进行岩石单轴压缩逐级循环加载实验：
对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂；实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的表面温度，并记录；
S3、对岩石试件的表面温度进行数据处理：
根据岩石试件各级荷载施加过程中表面温度的温度下限与加载时间的关系，确定岩石试件从开始施加荷载到破裂过程中的温度下限最大值T1，并得到温度下限最大值T1处的加载时间t1，再确定从加载时间t1到岩石试件破裂这段时间内的温度下限最小值T2，并得到温度下限最小值T2处的加载时间t2；
加载时间t1对应的加载循环内的应力峰值为压密阶段与弹性阶段的分界点；
加载时间t2对应的加载循环内的应力峰值为弹性阶段与破裂阶段的分界点。
进一步的，步骤S2中，对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂，具体加载方式为：
进行第1级循环，从0kN开始施加荷载，施加a kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第2级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第3级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+2d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；以此类推，
进行第n级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+(n-1)d kN的荷载，在第n级加载过程中，岩石试件破裂。
步骤S2中，实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的温度下限具体为：实时采集第1至n级加载过程中，每级卸载至bkN时岩石试件的温度。
本实施例中，实时采集第1至n级加载过程中，n为正整数，每级卸载至bkN时岩石试件的温度(即每级循环加载过程中的温度下限)，得到温度下限与加载时间的关系，如图5所示的温度下限-加载时间曲线，根据温度下限-加载时间曲线能够得到温度下限最大值点A(t1,T1)，其中，t1为温度下限最大值点A处的加载时间，T1为温度下限最大值点A处岩石试件的温度下限值；再确定从加载时间t1到岩石试件破裂这段时间内的温度下限最小值点B(t2,T2)，其中，t2为温度下限最小值点B处的加载时间，T2为温度下限最小值点B处岩石试件的温度下限值。
本发明中，b大于等于0。本实施例中，b为5kN，在实际实验时，b根据岩石的数据和试验机的性能进行取值，在能够得到稳定卸载数据的前提下，使b尽可能趋近于0。
步骤S1中，对岩石试件进行隔热处理，并对岩石试件进行静置观测。由于岩石试件加载过程中的温度变化量非常小，极易受到实验环境温度变化的影响因此，在实验之前对实验环境进行控制，并采取一定的环境隔绝措施：①实验开始前，应紧闭门窗，拉上遮阳窗帘；实验期间，禁止人员随意走动；②为减小岩石与环境温度之间的热传递作用，对岩石试件表面作隔热处理，如在岩石试件表面包裹脱脂棉作为隔热层；③实验前，增加温度静置观测步骤，即提前将实验试件放置在实验环境中，在实验之前达到实验试件与环境温度之间的热平衡。
步骤S2中，岩石单轴压缩逐级循环加载实验中力的控制方式为荷载控制。
步骤S2中，岩石单轴压缩逐级循环加载实验采用岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统实现，岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统包括用于向岩石试件施加荷载的加载单元以及采集岩石试件表面温度的温度采集单元。具体的，加载单元包括压力试验机，通过与压力试验机配套的荷载控制系统控制压力试验机对岩石试件施加荷载，荷载控制系统采集并存储荷载数据，根据荷载数据得到应力数据；温度采集单元包括设置于岩石试件表面的温度传感器以及与温度传感器相连的温度测试仪，温度测试仪实时采集岩石试件表面温度数据并发送给计算机存储，本实施例中，温度传感器采用测温电阻，温度测试仪采用高精度铂电阻测温仪。
岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统还设置了声发射信号采集单元和应变采集单元，应变采集单元包括应变片，声发射信号采集单元包括声发射传感器，岩石试件表面贴合两组应变片和两组温度传感器，并安置一组声发射传感器，分别用以获取岩石受力过程中的温度、应变和声发射数据。
实施例
如图1至图5所示，一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，包括如下步骤：
S1、选择岩石试件，岩石试件选择闪长岩，试件尺寸选用符合岩石力学试验精度标准的直径为50mm、高为100mm的标准圆柱试件，平行度<0.05mm；
S2、进行岩石单轴压缩逐级循环加载实验：
首先，对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂，具体加载方式为：
进行第1级循环，从0kN开始施加荷载，施加20kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至5kN；
进行第2级循环，从5kN开始施加荷载，施加20+20kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至5kN；
进行第3级循环，从5kN开始施加荷载，施加20+40kN的荷载，进行卸载，并卸载至5kN；以此类推，
进行第n级循环，从5kN开始施加荷载，施加20+(n-1)20kN的荷载，在第n级加载过程中，岩石试件破裂；
实时采集岩石试件第1至n级加载过程中，卸载至5kN时岩石试件的温度，形成温度下限-加载时间曲线，并记录；
S3、对岩石试件的表面温度进行数据处理，具体包括：
根据岩石试件第1至n级加载过程中表面温度的温度下限与加载时间曲线，确定温度下限-加载时间曲线中的温度下限最大值0.0098℃，并得到温度下限最大值0.0098℃处的加载时间552s，即点A(552s,0.0098℃)，再确定从加载时间552s到岩石试件破裂这段时间内的温度下限最小值-0.0086℃，并得到温度下限最小值-0.0086℃处的加载时间3028s，即点B(3028s,-0.0086℃)；
A点加载时间对应的该级循环内的应力峰值为72.5MPa，即为压密阶段与弹性阶段的分界点；
B点加载时间对应的该级循环内的应力峰值为174.05MPa，即为弹性阶段与破裂阶段的分界点。
本发明中，a、b和d值均根据岩石试样的数据和试验要求进行设定，每次试验都是从0kN开始施加荷载，每级加载的荷载上限不断增加，并且各级荷载增量d为固定值，除第一级循环外，各级循环荷载下限恒定，统一设定为a kN，不限循环次数n，连续逐级循环加载直至试件压破为止，荷载增量与加载速率依据岩石的峰值荷载协调设置，通过岩石单轴压缩逐级循环加载实验，获取岩石自受力至破坏全程的温度、应变、声发射变化数据。
本发明一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法的原理：
如图4所示，在荷载逐级循环的过程中，温度与岩石应力具有较好的同步性，且呈正相关关系，当荷载呈加卸载循环变化的同时，温度也呈现循环升温降温现象，在每个循环周期内，存在温度上限与温度下限，温度下限代表每级循环结束应力恢复至加载初始状态时对应的温度水平，在该状态下，部分温度无法得到完全恢复成为“残余”部分被累积下来，可称之为“残余温度”，结合热弹定律可知，在岩石为纯弹性时，应力恢复温度也将完全恢复，“残余温度”现象意味着岩石内部结构发生改变，岩石出现塑性变形，“残余温度”与岩石内部损伤状态密切相关，所以提取每级循环的温度下限，绘制温度下限-加载时间曲线。温度下限-加载时间曲线呈三阶段变化：阶段1，温度下限不断上升；阶段2，温度下限转为逐渐下降；阶段3，温度下限再次上升。温度下限三阶段的温度下限最大值点A以及温度下限最大值点A到岩石试件破裂试件段内的温度下限最小值点B均直观、清晰，确定性强。通过提取温度下限-加载时间曲线阶段温度下限最大值点A和温度下限最小值点B，并将其与应力-加载时间曲线对应，得到温度下限最大值点A和温度下限最小值点B对应加载循环的应力峰值，以此确定岩石变形阶段的应力阈值。
基于温度变化阶段特征确定的应力阈值，可实现对岩石变形阶段的识别，温度的三阶段分别对应了岩石变形的压密阶段、弹性变形阶段以及破坏阶段。
传统方法为采用应变数据进行变形阶段的划分，除此之外，声发射信号是岩石内部裂纹产生与扩展的一种物理响应已被大家所认可，故可利用岩石加载过程中的声发射信号变化特征，对利用本发明的岩石变形阶段识别结果进行验证。如图6所示，为岩石逐级循环加载过程中的应变循环上限变化曲线，如图7所示，为岩石逐级循环加载过程中的应变循环下限(残余应变)变化曲线，由图可知，轴向应变在确定压密阶段与弹性阶段的界限具有一定能力，横向应变在弹性阶段与破坏阶段之间存在轻微的转折变化，体积应变则综合了上述两项特点，但三种应变无论哪一种在识别三阶段的分界点方面都具有模糊和不确定性，界限是渐变而不是突变，即界限不分明，在确定时存在主观性。对比温度监测结果，温度变化趋势的三个发展阶段，在界限处存在突变，界限划分非常清晰。如图8所示，为岩石逐级循环加载过程中的声发射变化曲线，由图可知，声发射变化存在三阶段变化特征，分别为Ⅰ压密阶段，声发射处于初始阶段，信号逐渐减弱；Ⅱ弹性阶段，声发射处于平静期，信号平稳；Ⅲ破裂阶段，声发射处于活跃期，信号剧烈变化。对比于温度变化的阶段性，两者的阶段性高度吻合，验证了本发明的方法的有效性。
本发明的方法在实际应用中，由于岩石在加载过程中温度整体变化量量级为10- 1K，温度下限的温度量级低至10-3K，数值较小，若要捕获岩石逐级循环加载过程中温度变化特征，需要采用高精度的温度测试设备，温度分辨率高于1mK的温度传感器才可适用于本发明，利用温度变化特征识别岩石的变形阶段。
本发明中，为更加清晰的获取岩石加载过程中温度的变化特征，对实验所得温度数据进行差值处理，即将试件的实时表面温度减去加载前的初始温度，以温度差值代替实时表面温度进行特征分析。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择岩石试件；
S2、进行岩石单轴压缩逐级循环加载实验：
对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂；实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的表面温度，并记录；
S3、对岩石试件的表面温度进行数据处理：
根据岩石试件各级荷载施加过程中表面温度的温度下限与加载时间的关系，确定岩石试件从开始施加荷载到破裂过程中的温度下限最大值T1，并得到所述温度下限最大值T1处的加载时间t1，再确定从所述加载时间t1到岩石试件破裂这段时间内的温度下限最小值T2，并得到所述温度下限最小值T2处的加载时间t2；
所述加载时间t1对应的加载循环内的应力峰值为压密阶段与弹性阶段的分界点；
所述加载时间t2对应的加载循环内的应力峰值为弹性阶段与破裂阶段的分界点。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，对岩石试件施加逐级循环荷载，加载至岩石试件破裂的具体加载方式为：
进行第1级循环，从0kN开始施加荷载，施加a kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第2级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；
进行第3级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+2d kN的荷载之后，进行卸载，并卸载至bkN；以此类推，
进行第n级循环，从b kN开始施加荷载，施加a+(n-1)d kN的荷载，在第n级加载过程中，岩石试件破裂。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述实时采集岩石试件各级荷载施加过程中的温度下限具体为：实时采集第1至n级加载过程中，每级卸载至bkN时岩石试件的温度。
4.根据权利要求2所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述b大于等于0。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述岩石试件为圆柱形试件。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述步骤S1中，对所述岩石试件进行隔热处理，并对岩石试件进行静置观测。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，岩石单轴压缩逐级循环加载实验中力的控制方式为荷载控制。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验采用岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统实现，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统包括用于向岩石试件施加荷载的加载单元以及采集岩石试件表面温度的温度采集单元。
9.根据权利要求8所述的一种基于温度变化特征的岩石变形阶段识别方法，其特征在于，所述岩石单轴压缩逐级循环加载实验系统还设置了声发射信号采集单元和应变采集单元。
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