CN113776942B - 一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，步骤为：制备岩石试样；粘贴应变片；在应变片漆包线上外接带有转换接头的延长线；通过热缩套密封包裹岩石试样；将密封后的岩石试样送入压力室；应变片通过延长线及压力室数据接口与应变采集仪相连以建立多通道应变采集系统；封闭压力室并开展三轴压缩试验，通过多通道应变采集系统监测岩石试样变形，建立岩石试样的局部偏应力‑轴向应变‑时间曲线；引入岩石试样的局部损伤因子；建立岩石试样的局部损伤因子‑偏应力曲线；分析局部损伤因子差异性并划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段；引入局部损伤因子差异性指数，精确识别闭合应力和启裂应力。

Description

一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法
技术领域
本发明属于岩石力学技术领域，特别是涉及一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法。
背景技术
采矿、核废料处理、交通隧道等地下岩石工程的开挖是非常普遍的，受开挖卸荷影响，隧道和洞室的开挖边界经常发生脆性破坏，如岩爆、片帮和板裂等，这些脆性破坏影响工程结构的稳定性和施工人员的安全，脆性破坏是由应变局部化引起的，其特征是微观和宏观裂纹的萌生、扩展和聚合。因此，研究岩石裂纹演化对于揭示岩石的脆性破坏机理，提出合理的支护方案具有重要的科学意义和工程意义。
岩石峰前应力-应变曲线包括四个阶段，依次为裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段，且分界点处对应四个特征应力阈值，依次为闭合应力(σcc)、启裂应力(σci)、损伤应力(σcd)和峰值应力(σp)。具体而言，闭合应力(σcc)为应力-应变曲线上裂隙闭合阶段结束时刻的应力，其可表征岩石初始孔隙或微裂纹的发育程度，也可用于评估隧道围岩发生片帮破坏的潜在性；启裂应力(σci)为应力-应变曲线上弹性变形阶段结束时刻的应力，其可表征岩石内部萌生微裂纹需要的最小应力，也是岩石产生内部损伤的应力阈值；损伤应力(σcd)为应力-应变曲线上裂隙稳定扩展阶段结束时刻的应力，其可表征岩石内部微裂纹的非稳定扩展，也可用于评估围岩松动圈的范围；峰值应力(σp)为岩石所能承载的最大应力。
特征应力阈值的识别一直是岩石力学领域的一个研究重点，其中损伤应力(σcd)和峰值应力(σp)的识别较为容易，但由于岩石材料存在各向异性，导致闭合应力(σcc)和启裂应力(σci)的识别相对困难。目前，主要基于应力-应变曲线、声发射、扫描电镜、超声波速等方法开展闭合应力(σcc)和启裂应力(σci)的识别研究，其中基于应力-应变曲线的裂隙体变识别法使用最为广泛，但该方法在判断裂隙体变等于零的点时容易产生一定程度的误差，导致难以精确识别岩石的闭合应力(σcc)和启裂应力(σci)。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，采用动态长应变片以圆周平行均布方式测量岩石局部变形，得到岩石的局部损伤因子，基于局部损伤因子差异性划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段，同时引入局部损伤因子差异性指数，以定量识别裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段的初始点，最终实现闭合应力和启裂应力的精确识别。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：步骤一：制备岩石试样；
步骤二：准备应变片，将多条长条形应变片粘贴在岩石试样的表面，且应变片与岩石试样的轴线相平行，相邻应变片的间隔一致；
步骤三：将应变片的漆包线与带有转换接头的延长线焊接在一起；
步骤四：在粘贴好应变片的岩石试样外侧套装上热缩套，加热热缩套直到收缩的热缩套将岩石试样密封包裹；
步骤五：将密封包裹好的岩石试样送入三轴试验机的压力室内，将应变片通过延长线上的转换接头与压力室数据接口连接在一起，同时将压力室数据接口的外端与应变采集仪连接在一起，以建立多通道应变采集系统；
步骤六：封闭压力室，在压力室内对岩石试样开展单轴或三轴压缩试验，试验过程中，利用建立好的多通道应变采集系统实时监测岩石试样的变形，直到试验结束，并获得岩石试样的局部偏应力-轴向应变-时间曲线；
步骤七：引入岩石试样的局部损伤因子，记为DI，其计算公式为DI＝1-Es/Eo；式中，Es为损伤弹性模量，Eo为非损伤弹性模量；
步骤八：建立岩石试样的局部损伤因子-偏应力曲线；
步骤九：分析局部损伤因子差异性，基于局部损伤因子差异性划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段；
步骤十：引入局部损伤因子差异性指数，记为λ，其表达式为λ＝DImax-DImin，式中，DImax和DImin分别为同一偏应力水平下的最大损伤因子和最小损伤因子；通过局部损伤因子差异性指数来精确识别裂隙闭合阶段和弹性变形阶段；其中，在裂隙闭合阶段当λ＝0.01时对应的应力为闭合应力，在弹性变形阶段当λ＝0.01时对应的应力为启裂应力。
在步骤一中，岩石试样为圆柱形试样。
所述岩石试样的直径为50mm，岩石试样的高度为100mm。
在步骤二中，应变片采用电阻式应变片。
所述应变片的数量为八条。
所述应变片的长度为60mm。
在步骤七中，损伤弹性模量Es具体为弹性变形阶段的平均模量。
在步骤七中，非损伤弹性模量Eo具体为局部偏应力-轴向应变-时间曲线上每个点的切线模量。
在步骤九中，局部损伤因子DI差异性逐渐减小至零的阶段对应裂隙闭合阶段，局部损伤因子DI差异性维持不变的阶段对应弹性变形阶段，局部损伤因子DI差异性由零逐渐增加的阶段为隙稳定扩展阶段。
本发明的有益效果：
本发明的岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，采用动态长应变片以圆周平行均布方式测量岩石局部变形，得到岩石的局部损伤因子，基于局部损伤因子差异性划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段，同时引入局部损伤因子差异性指数，以定量识别裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段的初始点，最终实现闭合应力和启裂应力的精确识别。
附图说明
图1为应变片在岩石试样上的贴装示意图；
图2为实施例中在60MPa围压下岩石试样的局部偏应力-轴向应变-时间曲线；
图3为实施例中在60MPa围压下岩石试样的局部损伤因子-偏应力曲线；
图中，1—岩石试样，2—应变片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：制备岩石试样1，岩石试样1为圆柱形试样，岩石试样1的直径为50mm，岩石试样1的高度为100mm；
步骤二：准备电阻式应变片2，应变片2数量为八条，应变片2的长度为60mm，将八条应变片2均匀粘贴在岩石试样1的周向表面，且应变片2与岩石试样1的轴线相平行，相邻应变片2的间隔一致，如图1所示；
步骤三：将应变片2的漆包线与带有转换接头的延长线焊接在一起；
步骤四：在粘贴好应变片2的岩石试样1外侧套装上热缩套，利用热风加热热缩套，直到收缩的热缩套将岩石试样1密封包裹；
步骤五：将密封包裹好的岩石试样1送入三轴试验机的压力室内，将应变片2通过延长线上的转换接头与压力室数据接口连接在一起，同时将压力室数据接口的外端与应变采集仪连接在一起，以建立多通道应变采集系统；
步骤六：封闭压力室，在压力室内对岩石试样1开展单轴或三轴压缩试验，试验过程中，利用建立好的多通道应变采集系统实时监测岩石试样1的变形，直到试验结束，并获得岩石试样1的局部偏应力-轴向应变-时间曲线；
本实施例中，以常规三轴压缩试验为例，以0.5MPa/min的速率将围压加载至60MPa，当围压加载至60MPa且稳定后，采用轴向应力控制方式，以0.5MPa/min的速率加载应力直至岩石试样1破坏，并建立岩石试样1的局部偏应力-轴向应变-时间曲线，如图2所示；
步骤七：引入岩石试样1的局部损伤因子，记为DI，其计算公式为DI＝1-Es/Eo；式中，Es为损伤弹性模量，具体为弹性变形阶段的平均模量；Eo为非损伤弹性模量，具体为局部偏应力-轴向应变-时间曲线上每个点的切线模量；
步骤八：建立岩石试样1的局部损伤因子-偏应力曲线，如图3所示；
步骤九：分析局部损伤因子差异性，基于局部损伤因子差异性划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段；具体的，在图3中可以看出，在偏应力初始加载阶段，局部损伤因子DI差异性逐渐减小至零，该阶段对应裂隙闭合阶段；之后，随偏应力加载，局部损伤因子DI差异性维持不变，表面岩石试样1进入弹性变形阶段；随着偏应力的继续增加，局部损伤因子DI差异性由零逐渐增加，表面岩石试样1进入裂隙稳定扩展阶段；
步骤十：引入局部损伤因子差异性指数，记为λ，其表达式为λ＝DImax-DImin，式中，DImax和DImin分别为同一偏应力水平下的最大损伤因子和最小损伤因子；通过局部损伤因子差异性指数来精确识别裂隙闭合阶段和弹性变形阶段；其中，在裂隙闭合阶段当λ＝0.01时对应的应力为闭合应力，即在60MPa围压下的闭合应力为200MPa，在弹性变形阶段当λ＝0.01时对应的应力为启裂应力，即在60MPa围压下的启裂应力为480MPa。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：制备岩石试样；
步骤二：准备应变片，将多条长条形应变片粘贴在岩石试样的表面，且应变片与岩石试样的轴线相平行，相邻应变片的间隔一致；
步骤三：将应变片的漆包线与带有转换接头的延长线焊接在一起；
步骤四：在粘贴好应变片的岩石试样外侧套装上热缩套，加热热缩套直到收缩的热缩套将岩石试样密封包裹；
步骤五：将密封包裹好的岩石试样送入三轴试验机的压力室内，将应变片通过延长线上的转换接头与压力室数据接口连接在一起，同时将压力室数据接口的外端与应变采集仪连接在一起，以建立多通道应变采集系统；
步骤六：封闭压力室，在压力室内对岩石试样开展三轴压缩试验，试验过程中，利用建立好的多通道应变采集系统实时监测岩石试样的变形，直到试验结束，并获得岩石试样的局部偏应力-轴向应变-时间曲线；
步骤七：引入岩石试样的局部损伤因子，记为DI，其计算公式为DI＝1-Es/Eo；式中，Es为损伤弹性模量，Eo为非损伤弹性模量；损伤弹性模量Es具体为弹性变形阶段的平均模量；非损伤弹性模量Eo具体为局部偏应力-轴向应变-时间曲线上每个点的切线模量；
步骤八：建立岩石试样的局部损伤因子-偏应力曲线；
步骤九：分析局部损伤因子差异性，基于局部损伤因子差异性划分岩石的裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段和裂隙加速扩展阶段；
步骤十：引入局部损伤因子差异性指数，记为λ，其表达式为λ＝DImax-DImin，式中，DImax和DImin分别为同一偏应力水平下的最大损伤因子和最小损伤因子；通过局部损伤因子差异性指数来精确识别裂隙闭合阶段和弹性变形阶段；其中，在裂隙闭合阶段当λ＝0.01时对应的应力为闭合应力，在弹性变形阶段当λ＝0.01时对应的应力为启裂应力。
2.根据权利要求1所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：在步骤一中，岩石试样为圆柱形试样。
3.根据权利要求2所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：所述岩石试样的直径为50mm，岩石试样的高度为100mm。
4.根据权利要求1所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：在步骤二中，应变片采用电阻式应变片。
5.根据权利要求4所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：所述应变片的数量为八条。
6.根据权利要求4所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：所述应变片的长度为60mm。
7.根据权利要求1所述的一种岩石三轴压缩下识别闭合应力和启裂应力的试验方法，其特征在于：在步骤九中，局部损伤因子DI差异性逐渐减小至零的阶段对应裂隙闭合阶段，局部损伤因子DI差异性维持不变的阶段对应弹性变形阶段，局部损伤因子DI差异性由零逐渐增加的阶段为裂隙稳定扩展阶段。
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