CN113504132A - 适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，涉及深部岩石力学、断裂力学领域。其主要解决了现有技术无法实现深部岩体剪切破断计算的技术问题。本发明模拟方法主要包括：首先通过试样制作、试验准备、确定试验加载方案等步骤进行室内注水剪切试验；其次，用所得的试验数据计算出岩石剪切劣化量，确定岩石发生剪切断裂的临界触发条件；接着，引入相应参数，修正II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率；最后，通过模拟试验进行计算验证，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，修正相关参数。本发明对防治深部高承压突水灾害具有重要的科学意义和应用前景，进一步推进了耦合断裂力学在煤矿领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及深部岩石力学、断裂力学领域，具体涉及一种深部岩体高应力、强渗压环境下触发岩体发生剪切破断的力学条件试验确定方法及力-液-固耦合剪切裂纹扩展传播模拟修正方法。
背景技术
随着煤炭开采深度的加深，底板岩溶水害威胁日益加重，对煤矿安全产生巨大影响。其中大部分煤矿采场突水事故与断层等构造有关，尤其受深部高应力、强渗透压和强开采扰动(以下简称高-强环境)的影响，极易诱发构造活化，进而造成断层及其围岩体内导水裂隙的产生和扩展，进而导通工作面形成突水通道造成灾害的发生。
在深部采矿中存在较高压应力，出现拉应力的概率较低，因此导致剪切破坏普遍分布于活化断层附近，同时剪切裂纹的扩展方向往往深向岩体内部，造成突水灾害发生的危险程度较高。因此，剪切裂纹因具有易于起裂、传播距离远、传播瞬时性的特点而成为突水通道形成的关键因素，所以研究断层的剪切破坏可以更为科学、精细和合理地解释构造突水问题。然而目前针对岩石剪切裂纹的模拟往往集中在在岩石尺度方面，在深部耦合环境下岩体剪切裂纹的形成传播规律等方面的模拟较少；现存的裂纹能量释放准则可以直接模拟岩石剪切断裂，然而其不适合于计算深部承压水影响断层围岩剪切破断。
目前现有技术中的相关研究主要有：
CN111007231A，公开日期2020年04月14日，公开了一种《采动岩体内部新生剪切裂纹尺度的量化方法》，其可以计算出岩体受扰动影响发生剪切裂破坏时，裂纹扩展的动态特点，但没有考虑高温度、高液压的问题，无法实现深部岩体剪切破断计算。
CN112414874A，公开日期2021年02月26日，公开了一种《高温条件下岩石剪切裂纹扩展的实验装置及方法》，其了解了在高温条件下岩体的剪切裂纹扩展形式，但该装置不能应用于力-热-液耦合环境，对多场作用下的岩石剪切裂纹扩展不能做出判断。
CN102505965B，公开日期2013年10月23日，公开了一种《岩体破坏失稳预警识别的方法》，其利用钻孔应力计和多点位移计监测岩体应力和变形变化，并实时监测，然后换算岩体正切模量值，掌握其变化趋势，判定岩体破坏失稳。由于不能测出岩体破坏的临界触发点，所以对岩体破坏做不到及时预测预防。
基于上述现有技术中存在的技术缺陷，因此亟需研究一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，该方法主要是利用室内岩石试验方法获得围岩剪切裂纹起裂临界触发条件，进一步修正裂纹能量释放准则，进而实现深部岩体剪切破断模拟。
为了实现上述目的，本发明所需解决的主要技术问题在于：
如何设计室内岩石试验方法，尤其是对于室内岩石试验方法中试验加载方案的设计，如何将室内岩石试验方法所得结果应用判断剪切模拟方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其包括以下步骤：
a、设计室内注水剪切试验，分别包括以下子步骤：
a1、制作试样，
选取深部岩体，并将其加工成一定尺寸的正方体标准试件，然后在该正方体标准试件中部沿节理方向切割一定厚度及长度的预制起裂裂隙，再利用模具将其制作成混凝土直剪试样，保存并进行养护；
a2、准备试验，
将步骤a1所得养护好的混凝土直剪试样放置于直剪试验盒中，并在所述的直剪试验盒的上下端部设置声发射探头传感器，将放置有混凝土直剪试样的直剪试验盒进行密封，并将密封后的试验盒置于岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中；
a3、设计加载方案，
a31、所述的混凝土直剪试样在直剪过程中承受的三向应力与现场接近，分别为σ1>σ2>σ3，其中，所述的σ1为轴向应力，所述的σ2为第一侧向应力，所述的σ3为第二侧向应力；5组试验的模拟承压水水压P依次为20％σ3、40％σ3、60％σ3、80％σ3和σ3；
a32、所述的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中的真三轴试验机采用应力控制实现三向应力加载，首先通过真三轴试验机的竖向压头给所述的直剪试验盒施加一个较小的轴向应力σ0，以保证混凝土直剪试样与压力机的压头紧密接触；
a33、在t1时刻，开启水压系统以100kPa/min的速率向所述的直剪试验盒内施加承压水，直至t2时刻达到设定水压P并进行稳压处理，同时，所述的竖向压头以相同速率向所述的直剪试验盒施加压力直至达到σ1，此时定义为t4时刻；
a34、在t2时刻，真三轴试验机的水平压头以相同速率加载到t3时刻的σ2-P；
a35、当所述的竖向压头达到σ1后恒定10min，到达t5时刻，开启水平直剪压头，采用位移控制进行直剪试验直至混凝土直剪试样发生剪切破断t6；
a36、由t1-t6时刻，t4时刻混凝土直剪试样三向受力、承受水压依次为σ1、σ2、σ3和P，t5时刻混凝土直剪试样承受剪应力τ后发生剪切破断；
b、对剪切触发数据进行提取，并通过相关理论计算得到岩石剪切劣化量J；
c、设计力-液-固耦合剪切裂纹扩展传播模拟修正方法，包括以下步骤：
为了反映高应力、强渗透压环境下岩体剪切裂纹扩展特征，预期引入λI完成对I型--拉伸裂纹扩展的临界应变能释放率修正，引入λII、J完成对II型--剪切裂纹扩展的临界应变能释放率修正；
修正后的II型裂纹扩展准则定义为Z(θ)，如式(1)所示：
式(1)中：
GIc和GIIc分别是I型和II型裂纹扩展的临界应变能释放率；
GI(θ)和GII(θ)分别为I型和II型裂纹扩展在单位长度应变能释放率；
J为岩石剪切劣化量，定义为达到剪切峰值时损伤变量，反映岩体在深部耦合环境剪切破断发生的难易程度；
利用II型--剪切裂纹扩展的临界应变能释放率准则计算裂纹尖端最大剪应力τmax和最大拉应力σlmax，比较σlmax/τmax与Kmin的大小，所述的Kmin是发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)/峰值剪切强度τP临界比值；
若比值大于0，则(λIλII)＝(1 0)；若比值小于0，则(λIλII)＝(0 1)；
若(λIλII)＝(0 1)，则采用Z(θ)重复运算，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，重新修正相关参数。
作为本发明的一个优选方案，步骤a1中，正方体标准试件的尺寸为70mm×70mm×70mm，沿节理方向切割的厚度为2mm，长度为5mm，混凝土直剪试样是在温度20～25℃，湿度为60％的保护箱中保存28天。
作为本发明的另一个优选方案，步骤a2中，在所述的直剪试验盒的上下端部设置六个声发射探头传感器，其中，声发射探头传感器与混凝土直剪试样的接触部分涂抹耦合剂并进行断铅试验，采用PCI-2声发射监测分析系统收集数据，系统门槛值设置为40dB，浮动门槛6dB，初至波位置为波形起跳点；对所述的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统的真三轴试验机的上下压头进行对心。
进一步优选，步骤b中，对剪切触发数据进行提取的步骤为：
将实验过程中所采集剪应力–应变、剪应力–时间曲线进行相关处理，分析不同试样破坏形式及剪切裂纹传播情况，计算发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)/峰值剪切强度τP临界比值Kmin；
采用SEM电镜对直剪试样破断后的滑移面进行微观扫描，若晶粒内部直接发生穿晶断裂即为剪切断裂，出现沿晶断裂为拉伸破坏，归纳经扫描鉴定确认发生剪切断裂的试样试验数据，确定λI，λII为与临界比值Kmin有关的常数，反映岩体是否发生剪切破断，取值0和1，0表示裂纹扩展单位距离内不发生该类型裂纹的扩展，1则表示发生该类型裂纹扩展；
对采集声发射事件计数、能量和幅值等数据处理，利用能量-幅值-时间数据揭示试样在剪切裂纹传播过程能量释放规律，采用剪切劣化量J实现对岩石损伤演化特征的定量描述，其定义为：
式(2)中：
J为岩石剪切劣化量；
Ea为破坏全过程的声发射总能量；
E0为阶段内声发射事件能量；
τP为峰值剪切强度；
τC为残余剪切强度。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提供了一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，该方法利用室内注水剪切试验，得到不同岩性、三向应力和水压对剪切裂纹传播的影响程度，进一步获得岩石发生剪切断裂的临界触发条件；基于实验结果，实现对剪切裂纹临界应变能释放率修正，使其适合于计算深部高-强耦合作用下岩石的剪切破断及裂纹扩展规律。
本发明在室内注水剪切试验中，对加载方案的设计进行了改进，加载方案可以模拟深部岩体所处三向高地应力环境，在保证三轴加载的基础上实现了剪切试验，为试件提供了三向受力情况下的剪切试验环境，真实反映了深部环境下岩体剪切破坏特征，有效解决了真三轴加载活动剪切和大尺寸试样加载等技术问题。
综上所述，本发明提供的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，对防治深部高承压突水灾害具有重要的科学意义和应用前景，可进一步推进耦合断裂力学在煤矿领域的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明室内高压注水直剪试验所用的混凝土直剪试样立体图；
图2为本发明室内高压注水直剪试验所用的真三轴试验机加载方案图；
图3为本发明室内高压注水直剪试试验过程中直剪试样受力情况图；
图4为本发明中利用II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率准则计算裂纹尖端剪、拉应力计算示意图；
图5为本发明中力-液-裂纹(MHF)耦合直接模拟方法演算深部岩体裂纹扩展过程；
图6为本发明所用的真三轴试验机的压头的主要结构示意图；
附图标记如下：
1—岩石试样；2—混凝土直剪试样；3—预制起裂裂隙；2-1—竖向压头；2-2—水压曲线；2-3—水平直压头；2-4—水平压头；t1＝20min；t2＝40min；t3＝50min；t4＝60min；t5＝70min；t6＝140min；σ0＝0.8MPa；σ1＝5MPa；σ2＝3MPa；σ3＝2MPa；P＝2MPa；4-1—扩展方向；4-2—含水剪切裂纹；4-3—原生裂纹；5—竖向压头、6-第一水平压头、7-1-第二水平剪切压头、7-2-第二水平压头。
具体实施方式
本发明提出了一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明中所述及的σ1为轴向应力，σ2为第一侧向应力，σ3为第二侧向应力；
P为模拟承压水水压。
本发明一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其首先通过试样制作、试验准备、确定试验加载方案等步骤进行室内注水剪切试验；其次，用所得的试验数据计算出岩石剪切劣化量，确定岩石发生剪切断裂的临界触发条件；接着，引入相应参数，修正II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率；最后，通过模拟试验进行计算验证，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，修正相关参数。
本发明中所采用的真三轴试验机，其对压头的结构进行了主要改进，如图6所示，其中，竖向压头5、第一水平压头6为常规真三轴试验使用的压头，分别为试样施加轴向应力σ1和第一侧向应力σ2；本发明改进后的水平压头分为两部分，即第二水平剪切压头7-1、第二水平压头7-2，其中第二水平压头7-2为试样施加第二侧向应力σ3，保证试样在剪切过程中保持三向受力状态，第二水平剪切压头7-1用于施加剪应力，完成剪切试验；第二水平剪切压头7-1和第二水平压头7-2实现伺服同步控制，即剪切运动开始前第二水平剪切压头7-1和第二水平压头7-2提供相同的第二侧向应力σ3，剪切运动开始后单侧的第二水平剪切压头7-1在第二侧向应力σ3的基础上施加剪应力。
改进后的水平压头由4个独立伺服液压系统控制，第二水平压头7-2为矩形压头，矩形压头上方开设矩形窗口，矩形窗口内设置第二水平剪切压头7-1，第二水平剪切压头7-1可以在矩形窗口内平行移动。
改进后的水平压头采用抗压强度高、耐水蚀性好的高密度钢材制造。
一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，具体的，包括以下步骤：
步骤1：设计室内注水剪切试验，分别包括以下子步骤：
步骤1.1、制作试样
将深部岩体加工成70mm×70mm×70mm规格的正方体标准试件，并在试件中部沿节理方向切割厚度2mm、长度5mm预制起裂裂隙；利用双开模具和标准试样制作混凝土直剪试样，制作后的混凝土直剪试样在保护箱保存28d后待用。
步骤1.2、准备试验
将养护好的混凝土直剪试样放置于直剪试验盒中，在直剪试验盒上下端部安设6个声发射探头传感器，与混凝土直剪试样接触部分涂抹耦合剂并进行断铅试验，采用PCI-2声发射监测分析系统收集数据，系统门槛值设置为40dB，浮动门槛6dB，初至波位置为波形起跳点；将密封好的试验盒置于岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中，在压头与试验盒接触面之间涂抹凡士林，减少试件端面效应及其对声发射监测的影响，并对真三轴试验机上下压头进行对心；
步骤1.3、设计加载方案
针对矿井实际地应力资料，不同岩性的直剪试样共设计5组试验，试样直剪过程中承受三向应力(σ1>σ2>σ3)与现场相近，模拟承压水水压P依次为20％σ3、40％σ3、60％σ3、80％σ3和σ3。真三轴试验机采用应力控制实现三向应力加载，首先竖向压头给直剪盒一个较小的轴向应力σ0，以保证混凝土直剪试样与压力机的压头紧密接触；t1时刻，开启水压系统以100kPa/min速率向试验盒内施加承压水，直至t2时刻达到设定水压P并进行稳压处理，同时，竖向压头以相同速率施加压力直至达到σ1(t4时刻)；t2时刻，水平压头以相同速率加载到t3时刻的σ2-P；当竖向压头达到σ1恒定10min，到达t5时刻，开启水平直剪压头，采用位移控制进行直剪试验直至试件发生剪切破断t6。由t1-t6时刻，t4时刻直剪试样三向受力、承受水压依次为σ1、σ2、σ3和P，t5时刻试样承受剪应力τ后发生剪切破断。
步骤2：剪切触发数据提取
实验完成后对采集剪应力–应变、剪应力–时间曲线进行相关处理，分析不同试样破坏形式及剪切裂纹传播情况，计算发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)/剪应力(τP)临界比值Kmin；
采用SEM电镜对直剪试样破断后的滑移面进行微观扫描，若晶粒内部直接发生穿晶断裂即为剪切断裂，出现沿晶断裂为拉伸破坏，归纳经扫描鉴定确认发生剪切断裂的试样试验数据，确定为与临界比值Kmin有关的常数，反映岩体是否发生剪切破断，取值0和1(0表示裂纹扩展单位距离内不发生该类型裂纹的扩展，1则表示发生该类型裂纹扩展)；
对采集声发射事件计数、能量和幅值等数据处理，利用能量-幅值-时间数据揭示试样在剪切裂纹传播过程能量释放规律，采用剪切劣化量J实现对岩石损伤演化特征的定量描述，其定义为：
式中，J为岩石剪切劣化量；Ea为破坏全过程的声发射总能量；E0为阶段内声发射事件能量；τP为峰值剪切强度；τC为残余剪切强度。
步骤3：提供力-液-固耦合剪切裂纹扩展传播模拟修正方法
为了反映高应力、强渗透压环境下岩体剪切裂纹扩展特征，预期引入λI完成对I型(拉伸)裂纹扩展的临界应变能释放率修正，引入λII、J完成对II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率修正。
修正后的II型裂纹扩展准则定义为Z(θ)：
式中，GIc和GIIc分别是I型和II型裂纹扩展的临界应变能释放率；GI(θ)和GII(θ)分别为I型和II型裂纹扩展在单位长度应变能释放率；J为岩石剪切劣化量，定义为达到剪切峰值时损伤变量，反映岩体在深部耦合环境剪切破断发生的难易程度。
利用II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率准则计算裂纹尖端最大剪应力(τmax)和最大拉应力(σlmax)，比较σlmax/τmax与Kmin的大小。若比值大于0，则(λIλII)＝(1 0)；若比值小于0，则(λIλII)＝(0 1)；
若(λIλII)＝(0 1)，则采用Z(θ)重复运算，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，重新修正相关参数。
下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1：
一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：试样制作
如图1所示，将深部岩体加工成70mm×70mm×70mm规格的正方体岩石试样1，并在该岩石试样中部沿节理方向切割厚度2mm、长度5mm预制起裂裂隙3；利用双开模具和标准岩石试样制作混凝土直剪试样2，将制作好的混凝土直剪试样放在温度为24℃，湿度为60％的保护箱保存28d后待用。
步骤2：试验准备
将养护好的混凝土直剪试样安置于直剪试验盒中，在直剪试验盒上下端部安设6个声发射探头传感器，与混凝土直剪试样接触部分涂抹耦合剂并进行断铅试验，采用PCI-2声发射监测分析系统收集数据，系统门槛值设置为40dB，浮动门槛6dB，初至波位置为波形起跳点；将密封好的直剪试验盒置于岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中，在压头与直剪试验盒接触面之间涂抹凡士林，减少混凝土直剪试样端面效应及其对声发射监测的影响，并对真三轴试验机上下压头进行对心；
步骤3：试验加载方案
针对矿井实际地应力资料，不同岩性的直剪试样共设计5组试验，混凝土直剪试样在直剪过程中承受三向应力(σ1＝5MPa>σ2＝3MPa>σ3＝2MPa)与现场相近，模拟承压水水压P依次为20％σ3、40％σ3、60％σ3、80％σ3和σ3。真三轴试验机采用应力控制实现三向应力加载，如图2所示，图2示出了真三轴试验机的加载方案，其中有竖向压头2-1，水压曲线2-2，水平直压头2-3，水平压头2-4，首先竖向压头2-1给直剪盒一个较小的轴向应力σ0＝0.8MPa，以保证混凝土直剪试样与压力机的压头紧密接触；在真三轴试验机开机20min时，开启水压系统以100kPa/min速率向试验盒内施加承压水，直至真三轴试验机运行40min时达到设定水压2MPa并进行稳压处理，同时，竖向压头2-1以100KPa/min的速率施加压力在60min时达到5MPa；在真三轴试验机运行40min时，水平压头2-4以相同的速率加载，在真三轴试验机运行50min时达到1MPa；当竖向压头2-1达到5MPa后恒定10min，当真三轴试验机运行时间到达70min时，开启水平直剪压头2-3，采用位移控制其加载速率为0.05mm/min进行直剪试验，在真三轴试验机运行140min时混凝土直剪试样发生剪切破断。试验过程中直剪试样受力情况如图3所示，在真三轴试验机运行60min时，混凝土直剪试样三向受力、承受水压依次为5MPa、3MPa、2MPa和2MPa，在真三轴试验机运行70min时试样承受剪应力τ后发生剪切破断。
步骤4：剪切触发数据提取
实验完成后对采集剪应力–应变、剪应力–时间曲线进行相关处理，分析不同试样破坏形式及剪切裂纹传播情况，计算出发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)＝3MPa剪应力(τP)＝4.8MPa可得到临界比值Kmin＝有效正应力(σ1-P)/剪应力(τP)＝0.625MPa；
采用SEM电镜对直剪试样破断后的滑移面进行微观扫描，若晶粒内部直接发生穿晶断裂即为剪切断裂，出现沿晶断裂为拉伸破坏，归纳经扫描鉴定确认发生剪切断裂的试样试验数据，对采集声发射事件计数、能量和幅值等数据处理，利用能量-幅值-时间数据揭示试样在剪切裂纹传播过程能量释放规律，采用剪切劣化量J实现对岩石损伤演化特征的定量描述，其定义为：
式中，J为岩石剪切劣化量；Ea为破坏全过程的声发射总能量；E0为阶段内声发射事件能量；τP为峰值剪切强度；τC为残余剪切强度。
步骤5：提供力-液-固耦合剪切裂纹扩展传播模拟修正方法
为了反映高应力、强渗透压环境下岩体剪切裂纹扩展特征，预期引入λI完成对I型(拉伸)裂纹扩展的临界应变能释放率修正，引入λII、J完成对II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率修正。
修正后的II型裂纹扩展准则定义为Z(θ)：
式中，GIc和GIIc分别是I型和II型裂纹扩展的临界应变能释放率；GI(θ)和GII(θ)分别为I型和II型裂纹扩展在单位长度应变能释放率；J为岩石剪切劣化量，定义为达到剪切峰值时损伤变量，反映岩体在深部耦合环境剪切破断发生的难易程度。
利用II型(剪切)裂纹扩展的临界应变能释放率准则计算裂纹尖端最大剪应力(τmax)和最大拉应力(σlmax)如图4，图4中示出了扩展方向4-1、含水剪切裂纹4-2、原生裂纹4-3，比较σlmax/τmax与Kmin的大小。比值大于0，则(λIλII)＝(1 0)；得到的II型裂纹扩展准则为：
若比值小于0，则(λIλII)＝(0 1)，然后采用Z(θ)重复运算，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，重新修正相关参数如图5。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：
a、设计室内注水剪切试验，分别包括以下子步骤：
a1、制作试样，
选取深部岩体，并将其加工成一定尺寸的正方体标准试件，然后在该正方体标准试件中部沿节理方向切割一定厚度及长度的预制起裂裂隙，再利用模具将其制作成混凝土直剪试样，保存并进行养护；
a2、准备试验，
将步骤a1所得养护好的混凝土直剪试样放置于直剪试验盒中，并在所述的直剪试验盒的上下端部设置声发射探头传感器，将放置有混凝土直剪试样的直剪试验盒进行密封，并将密封后的试验盒置于岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中；
a3、设计加载方案，
a31、所述的混凝土直剪试样在直剪过程中承受的三向应力与现场接近，分别为σ1>σ2>σ3，其中，所述的σ1为轴向应力，所述的σ2为第一侧向应力，所述的σ3为第二侧向应力；5组试验的模拟承压水水压P依次为20％σ3、40％σ3、60％σ3、80％σ3和σ3；
a32、所述的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统中的真三轴试验机采用应力控制实现三向应力加载，首先通过真三轴试验机的竖向压头给所述的直剪试验盒施加一个较小的轴向应力σ0，以保证混凝土直剪试样与压力机的压头紧密接触；
a33、在t1时刻，开启水压系统以100kPa/min的速率向所述的直剪试验盒内施加承压水，直至t2时刻达到设定水压P并进行稳压处理，同时，所述的竖向压头以相同速率向所述的直剪试验盒施加压力直至达到σ1，此时定义为t4时刻；
a34、在t2时刻，真三轴试验机的水平压头以相同速率加载到t3时刻的σ2-P；
a35、当所述的竖向压头达到σ1后恒定10min，到达t5时刻，开启水平直剪压头，采用位移控制进行直剪试验直至混凝土直剪试样发生剪切破断t6；
a36、由t1-t6时刻，t4时刻混凝土直剪试样三向受力、承受水压依次为σ1、σ2、σ3和P，t5时刻混凝土直剪试样承受剪应力τ后发生剪切破断；
b、对剪切触发数据进行提取，并通过相关理论计算得到岩石剪切劣化量J，确定岩石发生剪切断裂的临界触发条件；
c、设计力-液-固耦合剪切裂纹扩展传播模拟修正方法，包括以下步骤：
为了反映高应力、强渗透压环境下岩体剪切裂纹扩展特征，预期引入λI完成对I型--拉伸裂纹扩展的临界应变能释放率修正，引入λII、J完成对II型--剪切裂纹扩展的临界应变能释放率修正；
修正后的II型裂纹扩展准则定义为Z(θ)，如式(1)所示：
式(1)中：
GIc和GIIc分别是I型和II型裂纹扩展的临界应变能释放率；
GI(θ)和GII(θ)分别为I型和II型裂纹扩展在单位长度应变能释放率；
J为岩石剪切劣化量，定义为达到剪切峰值时损伤变量，反映岩体在深部耦合环境剪切破断发生的难易程度；
利用II型--剪切裂纹扩展的临界应变能释放率准则计算裂纹尖端最大剪应力τmax和最大拉应力σlmax，比较σlmax/τmax与Kmin的大小，所述的Kmin是发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)/峰值剪切强度τP临界比值；
若比值大于0，则(λI λII)＝(1 0)；若比值小于0，则(λI λII)＝(0 1)；
若(λI λII)＝(0 1)，则采用Z(θ)重复运算，将计算后的模拟结果对比直剪试验结果进行反馈分析，重新修正相关参数。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：步骤a1中，正方体标准试件的尺寸为70mm×70mm×70mm，沿节理方向切割的厚度为2mm，长度为5mm，混凝土直剪试样是在温度20～25℃，湿度为60％的保护箱中保存28天。
3.根据权利要求1所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：步骤a2中，在所述的直剪试验盒的上下端部设置六个声发射探头传感器，其中，声发射探头传感器与混凝土直剪试样的接触部分涂抹耦合剂并进行断铅试验，采用PCI-2声发射监测分析系统收集数据，系统门槛值设置为40dB，浮动门槛6dB，初至波位置为波形起跳点；对所述的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统的真三轴试验机的上下压头进行对心。
4.根据权利要求1所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：步骤b中，对剪切触发数据进行提取的步骤为：
将实验过程中所采集剪应力–应变、剪应力–时间曲线进行相关处理，分析不同试样破坏形式及剪切裂纹传播情况，计算发生破坏岩石有效正应力(σ1-P)/峰值剪切强度τP临界比值Kmin；
采用SEM电镜对直剪试样破断后的滑移面进行微观扫描，若晶粒内部直接发生穿晶断裂即为剪切断裂，出现沿晶断裂为拉伸破坏，归纳经扫描鉴定确认发生剪切断裂的试样试验数据，确定λI，λII为与临界比值Kmin有关的常数，反映岩体是否发生剪切破断，取值0和1，0表示裂纹扩展单位距离内不发生该类型裂纹的扩展，1则表示发生该类型裂纹扩展；
对采集声发射事件计数、能量和幅值等数据处理，利用能量-幅值-时间数据揭示试样在剪切裂纹传播过程能量释放规律，采用剪切劣化量J实现对岩石损伤演化特征的定量描述，其定义为：
式(2)中：
J为岩石剪切劣化量；
Ea为破坏全过程的声发射总能量；
E0为阶段内声发射事件能量；
τP为峰值剪切强度；
τC为残余剪切强度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：所述的真三轴试验机的水平压头包括第二水平剪切压头和第二水平压头，所述的第二水平压头的形状为矩形，在所述的第二水平压头的上方设置有矩形窗口，所述的第二水平剪切压头位于所述的矩形窗口内，且所述的第二水平剪切压头可在所述的矩形窗口内平行移动。
6.根据权利要求5所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：所述的第二水平压头用于向所述的混凝土直剪试样施加第二侧向应力，并使得所述的混凝土剪切试样在剪切过程中保持三向受力状态；所述的第二水平剪切压头用于向所述的混凝土直剪试样施加剪应力，所述的第二水平剪切压头和第二水平压头实现伺服同步控制。
7.根据权利要求6所述的一种适用于深部耦合状态下岩体剪切破断的临界触发模拟方法，其特征在于：所述的伺服同步控制是在剪切运动开始前，通过所述的第二水平剪切压头和所述的第二水平压头提供相同的第二侧向应力，剪切运动开始后单侧的第二水平剪切压头在第二侧向应力的基础上施加剪应力。
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|---|---|---|---|---|
| CN114047082A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-02-15 | 太原理工大学 | 非均匀地应力固井水泥环与地层界面剪切强度测试方法 |
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| CN116893104B (zh) * | 2023-09-07 | 2023-12-08 | 北京建筑大学 | 一种脆性固体材料的渗透压力劈裂力学性能评价方法 |
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