CN113686646A - 一种确定岩石长期强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定岩石长期强度的方法，属于岩石力学性能技术领域。所述确定岩石长期强度的方法包括：获取岩石在不同应力条件下的体积应变；根据应力球张量和体积应变获取岩石的在不同应力条件下体积模量；取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图；根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式；根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值；取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度。本发明确定岩石长期强度的方法加载施加短，可以确定岩石长期强度。

Description

一种确定岩石长期强度的方法
技术领域
本发明涉及岩石力学性能技术领域，特别涉及一种确定岩石长期强度的方法。
背景技术
岩石在深部复杂地质环境下的流变性质是关乎深部围岩支护以及长期稳定性的关键力学性能，其中岩石的长期强度是所有深部地下工程都需要重视的力学性质之一。经过大量的试验和工程实例证明，地下岩体在长期荷载作用下变形破坏时的强度值是小于岩石自身的峰值强度值，且岩体的变形失稳也表现出了与时间有关的强度性能。同时，学者们还将岩石的长期强度定义为一种具有时效性的强度特性，将在地下工程试用期间不会发生变形破坏的最大作用荷载称为长期强度。因此，研究岩石的长期强度以及提出一种确定岩石长期强度的方法对实际工程具有重要的指导意义。
目前，工程中和学术研究中最常用确定岩石长期强度的方法一般为：
1，等时应力-应变曲线的拐点确定法，等时应力-应变曲线的拐点在实际中较难确定，该拐点的变化规律较为离散，导致对应的应力值无法明确确定；
2，过渡蠕变确定法，过渡蠕变确定法确定得到的岩石长期强度值是一个范围，没有确定的长期强度数值，该范围的大小也与制定蠕变方案的应力水平等级有关，故该方法具有一定的人为误差和局限性。
发明内容
本发明提供一种确定岩石长期强度的方法，解决了或部分解决了现有技术中岩石长期强度的应力值无法明确确定，存在误差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种确定岩石长期强度的方法包括：获取岩石在不同力条件下的体积应变；假设岩石在加载瞬间产生的瞬时应变全部为弹性应变，根据应力球张量和体积应变获取岩石的在不同应力条件下体积模量；取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图；根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式；根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值；取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度。
进一步地，所述获取岩石在不同应力条件下的体积应变包括：获取岩石在不同应力条件下的轴向蠕变历时曲线图，根据轴向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的轴向应变ε1；获取岩石在不同应力条件下的径向蠕变历时曲线图，根据径向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的径向应变ε3；根据εV＝ε1+2ε3；式中：ε1为轴向应变；ε3为径向应变；εV为体积应变。
进一步地，根据岩石在不同应力条件下的体积应变，获取体积蠕变历时曲线。
进一步地，所述根据应力球张量和体积应变获取岩石在不同应力条件下体积模量包括：
Figure BDA0003198086090000021
式中：K为体积模量，σm为应力球张量；εm为应变球张量。
进一步地，
Figure BDA0003198086090000022
式中：σ1为轴向应力；σ3为径向应力。
进一步地，根据岩石的在不同应力条件下体积模量，获取岩石在不同应力作用下的体积模量变化规律图。
进一步地，所述获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式包括：时间点取0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h；则
1/K＝-0.00101exp(σ1/21.12375)+0.01933，t＝0h；
1/K＝-0.001exp(σ1/20.67437)+0.01866，t＝4h；
1/K＝-0.00111exp(σ1/20.91978)+0.019，t＝8h；
1/K＝-0.00107exp(σ1/20.42317)+0.01874，t＝12h；
1/K＝-4.78497·10-4exp(σ1/17.02925)+0.01473，t＝16h；
1/K＝-0.00186exp(σ1/22.92788)+0.02298，t＝20h；
1/K＝-0.00185exp(σ1/22.77147)+0.0232，t＝24h。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了获取岩石在不同应力条件下的体积应变，假设岩石在加载瞬间产生的瞬时应变全部为弹性应变，根据应力球张量和体积应变获取岩石在不同应力条件下体积模量，取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图，根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式；根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值，取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度，加载施加短，可以确定岩石长期强度，避免误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为0h的倒数与应力之间的关系图；
图2为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为4h的倒数与应力之间的关系图
图3为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为8h的倒数与应力之间的关系图
图4为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为12h的倒数与应力之间的关系图
图5为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为16h的倒数与应力之间的关系图
图6为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为20h的倒数与应力之间的关系图
图7为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的时间点为24h的倒数与应力之间的关系图
图8为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的轴向蠕变历时曲线图
图9为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的径向蠕变历时曲线图
图10为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的体积蠕变历时曲线图；
图11为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的岩石50MPa、70MPa、80MPa及90MPa应力作用下的体积模量变化规律图；
图12为本发明实施例提供的确定岩石长期强度的方法的岩石60MPa应力作用下的体积模量变化规律图。
具体实施方式
参见图1-7，本发明实施例提供的一种确定岩石长期强度的方法包括：
步骤S1，获取岩石在不同应力条件下的体积应变。
步骤S2，假设岩石在加载瞬间产生的瞬时应变全部为弹性应变，根据应力球张量和体积应变获取岩石在不同应力条件下体积模量。
步骤S3，取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图。
步骤S4，根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式。
步骤S5，根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值。
步骤S6，取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度。
本申请具体实施方式由于采用了获取岩石在不同应力条件下的体积应变，假设岩石在加载瞬间产生的瞬时应变全部为弹性应变，根据应力球张量和体积应变获取岩石的在不同应力条件下体积模量，取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图，根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式；根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值，取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度，加载施加短，可以确定岩石长期强度，避免误差。
详细介绍步骤S1。
参见图8-9，所述获取岩石在不同应力条件下的体积应变包括：
步骤S11,获取岩石在不同应力条件下的轴向蠕变历时曲线图，根据轴向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的轴向应变ε1。
步骤S12,获取岩石在不同应力条件下的径向蠕变历时曲线图，根据径向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的径向应变ε3。
步骤S13,根据εV＝ε1+2ε3；式中：ε1为轴向应变；ε3为径向应变；εV为体积应变。
参见图10，在本实施方式中，根据岩石在不同应力条件下的体积应变，获取体积蠕变历时曲线，可以直接由体积蠕变历时曲线获取不同应力条件下体积应变。
详细介绍步骤S2。
所述根据应力球张量和体积应变获取岩石的在不同应力条件下体积模量包括：
Figure BDA0003198086090000061
式中：K为体积模量，σm为应力球张量；εm为应变球张量。
Figure BDA0003198086090000062
式中：σ1为轴向应力；σ3为径向应力。
参见图11-12，在本实施方式中，根据岩石在不同应力条件下体积模量，获取岩石不同应力作用下的体积模量变化规律图。由图12可知，在应力为60MPa作用下体积模量开始由正值向负值转化，且岩石的体积蠕变应变也开始由正值向负值转化，即岩石体积由压缩状态向扩容状态转化。因此，可以认为岩石的长期强度值的范围值50-70MPa。
参见图1-7，详细介绍步骤S4,。
参见图1-7，所述获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式包括：
时间点取0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h；则
1/K＝-0.00101exp(σ1/21.12375)+0.01933，t＝0h；
1/K＝-0.001exp(σ1/20.67437)+0.01866，t＝4h；
1/K＝-0.00111exp(σ1/20.91978)+0.019，t＝8h；
1/K＝-0.00107exp(σ1/20.42317)+0.01874，t＝12h；
1/K＝-4.78497·10-4exp(σ1/17.02925)+0.01473，t＝16h；
1/K＝-0.00186exp(σ1/22.92788)+0.02298，t＝20h；
1/K＝-0.00185exp(σ1/22.77147)+0.0232，t＝24h。
令体积模量K＝0，可以得到体积模量由正值向负值转化时对应的应力值。时间点取0、4、8、12、16、20和24h时，所对应的应力值分别为62.35、60.50、59.41、58.47、58.36、57.64、57.59MPa，将上述所有应力取平均值即可得到岩石的长期强度值为59.19MPa。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种确定岩石长期强度的方法，其特征在于，包括：
获取岩石在不同应力条件下的体积应变；
假设岩石在加载瞬间产生的瞬时应变全部为弹性应变，根据应力球张量和体积应变获取岩石的在不同应力条件下体积模量；
取不同时间点的岩石的体积模量的倒数，获得体积模量的倒数与应力之间的关系图；
根据体积模量的倒数与应力之间的关系图，获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式；
根据不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式，且视岩石的体积模量为0，获取体积模量由正值向负值转化时对应的多个应力值；
取多个应力值的平均值，得到岩石长期强度。
2.根据权利要求1所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于，所述获取岩石在不同应力条件下的体积应变包括：
获取岩石在不同应力条件下的轴向蠕变历时曲线图，根据轴向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的轴向应变ε1；
获取岩石在不同应力条件下的径向蠕变历时曲线图，根据径向蠕变历时曲线图获取岩石在不同应力条件下的径向应变ε3；
根据εV＝ε1+2ε3；式中：ε1为轴向应变；ε3为径向应变；εV为体积应变。
3.根据权利要求1所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于：
根据岩石在不同应力条件下的体积应变，获取体积蠕变历时曲线。
4.根据权利要求2所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于，所述根据应力球张量和体积应变获取岩石在不同应力条件下体积模量包括：
Figure FDA0003198086080000011
式中：K为体积模量，σm为应力球张量；εm为应变球张量。
5.根据权利要求4所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于：
Figure FDA0003198086080000021
式中：σ1为轴向应力；σ3为径向应力。
6.根据权利要求2所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于：
根据岩石的在不同应力条件下体积模量，获取岩石不同应力作用下的体积模量变化规律图。
7.根据权利要求4所述的确定岩石长期强度的方法，其特征在于，所述获取不同时间的岩石的体积模量与应力之间的关系表达式包括：
时间点取0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h；则
1/K＝-0.00101exp(σ1/21.12375)+0.01933，t＝0h；
1/K＝-0.001exp(σ1/20.67437)+0.01866，t＝4h；
1/K＝-0.00111exp(σ1/20.91978)+0.019，t＝8h；
1/K＝-0.00107exp(σ1/20.42317)+0.01874，t＝12h；
1/K＝-4.78497·10-4exp(σ1/17.02925)+0.01473，t＝16h；
1/K＝-0.00186exp(σ1/22.92788)+0.02298，t＝20h；
1/K＝-0.00185exp(σ1/22.77147)+0.0232，t＝24h。
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