CN115165567B - 考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，该方法包括：根据设定的环境参数对试验环境进行调节，然后对岩石样本进行三轴压缩试验直至样本破坏，然后根据试验数据，得到岩石的应力‑应变曲线；根据应力‑应变曲线计算出B ₁、B ₂、B ₃；然后根据B ₁、B ₂、B ₃计算出岩石的脆性指数B：本发明的有益技术效果是：提出了一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，该方法能够从整体上反映岩石破坏过程中的脆性变化，并且由于考虑了方位角和围压因素，最终结果更加趋近于真实地质情况。

Description

考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法

技术领域

本发明涉及岩体力学技术领域，尤其涉及一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法。

背景技术

现有技术为了评价岩石的脆性，大都利用强度参数、弹性参数、矿物成分、应力-应变曲线、力学参数和能量理论建立各种指标。但这些指标大多没有考虑围压和材料参数各向异性对脆性的影响，难以真实反映层状岩石的脆性。层状岩石是实际工程中常见的地质材料，与均质岩石相比，层状岩石材料参数的各向异性导致其力学行为更为复杂。因此，有必要提出一种有效的层状岩石脆性评价方法。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，其特征在于：所述层状岩石脆性评估方法包括：

1)实地采集多份岩石样本；

2)对每份岩石样本单独进行三轴压缩试验直至样本破坏；单次试验过程中，先根据设定的环境参数对试验环境进行调节，然后再进行加载操作；所述环境参数包括方位角参数和围压参数；对试验环境进行调节时，根据方位角参数对岩石样本的姿态进行调节，根据围压参数对岩石样本周围的围压数值进行调节；各次试验所对应的环境参数各不相同；

3)根据试验数据，得到岩石的应力-应变曲线；根据应力-应变曲线计算出B₁、B₂、B₃；

所述B₁为峰前脆性指数， 为应力峰值点处岩石具备的弹性能，/>为达到应力峰值前岩石的总吸收能；

所述B₂为弹性能峰后耗散率指数， 为达到应力峰值后岩石释放的弹性能，/>为达到应力峰值后岩石获得的耗散能；

所述B₃为弹性能耗散程度指数，

4)按下式计算出岩石的脆性指数B：

本发明的原理是：参见图4，由典型的三轴压缩试验所获得的应力-应变曲线中，根据裂纹的发展和扩展，岩石的整个破坏过程可分为压实(Oa)、弹性变形(ai)、断裂扩展(ib)、渐进破坏(bc)和破坏(cd)5个阶段。在达到应力峰值之前的阶段，岩石的总吸收能中的一部分会以弹性能/>的形式积累在岩石中，剩余部分以累积耗散能/>的形式用于岩石中微裂纹的产生。在达到应力峰值之后的阶段，储存的弹性能被释放，即/>以维持岩石的破坏(这种情况在强脆性岩石中很常见)；如果岩石破坏不能自持，则需要从试验机处获得额外的能量，即/>通常来说，岩石中所储存的弹性能不足以维持岩石的破坏，因此，我们只考虑需要/>的情况。

在岩石破坏过程中，在峰前阶段，大量吸收的能量以弹性能的形式存储在岩石中，而峰值前储存的弹性能对岩石破裂有显著影响，因此，本发明用峰前弹性能的累积率作为峰前脆性指数B₁，由B₁的表达式可知，其数值范围为0～1，且与岩石脆性呈正相关，B₁＝0时，岩石总吸收能完全转化为耗散能，为完全塑性岩石，B₁＝1时，吸收的能量完全以弹性能的形式储存在岩石中，为完全弹性岩石。

如前所述，通常来说，岩石中所储存的弹性能不足以维持岩石的破坏，或多或少，都需要的参与，为了表征弹性能在岩石破坏时所起的作用大小，因此，设计了弹性能峰后耗散率指数B₂，由B₂的表达式可知，其数值范围在0～1之间，B₂的数值越趋近于1，说明弹性能在岩石破坏过程中所起的作用越大。

对于弹性能自身而言，岩石破坏时，前期累积的弹性能耗散得越多，说明弹性能更加有效地起到了破坏作用，同时也说明岩石的脆性越大，因此，用弹性能耗散程度指数B₃来表征弹性能自身的耗散程度，并且，由B₃的表达式可知，其数值范围在0～1之间，B₃越趋近于1，说明弹性能耗散得越充分；

最后，根据几何平均法，将B₁、B₂、B₃构建为脆性指数B，由于B₁体现了峰前弹性能的累积率，B₂和B₃分别体现了弹性能峰后耗散率和弹性能峰后耗散程度，因此，脆性指数B能够从整体上反映岩石破坏过程中的脆性变化。

此外，B₁、B₂、B₃是由应力-应变曲线计算得到，用于绘制应力-应变曲线的数据，是在环境参数条件下通过三轴压缩试验得到，环境参数中的方位角参数和围压参数能够体现出方位角和围压对岩石破坏过程的影响，使得脆性指数B更加趋近于真实地质情况。

本发明的有益技术效果是：提出了一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，该方法能够从整体上反映岩石破坏过程中的脆性变化，并且由于考虑了方位角和围压因素，最终结果更加趋近于真实地质情况。

附图说明

图1、方位角示意图；

图2、方位角为0°时的岩石样本结构示意图；

图3、方位角为90°时的岩石样本结构示意图；

图4、典型的三轴压缩试验所获得的应力-应变曲线；

图5、圆柱形标准类岩石试样示意图；

图6、脆性指数-围压曲线；

图7、脆性指数-方位角曲线；

图8、α＝0°时不同围压下层状类岩石试件的破坏特性：(a)σ₃＝0MPa；(b)σ₃＝5MPa；(c)σ₃＝10MPa；(d)σ₃＝15MPa；

图9、α＝90°时不同围压下层状类岩石试件的破坏特性：(a)σ₃＝0MPa；(b)σ₃＝5MPa；(c)σ₃＝10MPa；(d)σ₃＝15MPa；

图10、不同围压下层状类岩样破坏特征：(a)σ₃＝0MPa；(b)σ₃＝5MPa；(c)σ₃＝10MPa；(d)σ₃＝15MPa；

图11、脆性指数B随围压和方位角的变化。

具体实施方式

一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，其特征在于：所述层状岩石脆性评估方法包括：

1)实地采集多份岩石样本；

2)对每份岩石样本单独进行三轴压缩试验直至样本破坏；单次试验过程中，先根据设定的环境参数对试验环境进行调节，然后再进行加载操作；所述环境参数包括方位角参数和围压参数；对试验环境进行调节时，根据方位角参数对岩石样本的姿态进行调节，根据围压参数对岩石样本周围的围压数值进行调节；各次试验所对应的环境参数各不相同；

3)根据试验数据，得到岩石的应力-应变曲线；根据应力-应变曲线计算出B₁、B₂、B₃；

所述B₁为峰前脆性指数， 为应力峰值点处岩石具备的弹性能，/>为达到应力峰值前岩石的总吸收能；

所述B₂为弹性能峰后耗散率指数， 为达到应力峰值后岩石释放的弹性能，/>为达到应力峰值后岩石获得的耗散能；

所述B₃为弹性能耗散程度指数，

4)按下式计算出岩石的脆性指数B：

前述方案中涉及到的可按如下方式计算得到：

单位体积能量转换可以表示为：

其中，U_r为维持宏观裂纹扩展的断裂能；弹性能与剩余弹性能/>的关系为：

层状岩石的弹性能U_e为：

其中，σ₁、σ₂、σ₃为主应力；E_v为横观各向同性平面的弹性模量(方向角为0°，如图1所示)；E_h为垂直于横各向同性平面的弹性模量(方向角为90°，如图2所示)；υ是泊松比。将式(4)中的σ₁替换为σ_1p(峰值应力)，可以得到

峰值前的总吸收能量计算如下：

其中，常规三轴试验σ₂＝σ₃，ε_a和ε_r分别为轴向应变和径向应变。式(5)可以改写为：

将式(4)、(6)代入式(1)，可以表示为：

峰后和峰前阶段能量参数的计算方法相似。将式(4)中的σ₁替换为σ_1r(残余应力)，可以得到残余弹性能

峰后阶段的耗散能计算如下：

其中，ε_ap、ε_rp分别为峰值点的轴向应变和径向应变。

将式(4)、(8)代入式(2)，可得：

下面以层状岩样试验结果对围岩与方向角和新指标的关系作为实例对本发明作进一步说明。

本发明通过制作软、硬材料互层来模拟层状岩石，图5为不同方位角的圆柱形标准类岩石试样。为得到方向角、围压与脆性指数的关系，采用岩石力学综合试验系统(MTS)进行了单轴和三轴压缩试验，设计围压分别为0、5、10、15MPa。轴向压力通过位移控制加载，加载速率为0.1mm/min，直至岩石试件破坏，停止加载。

围压与脆性指数B的关系如图6所示。在图6中，随着围压的增加，脆性指数逐渐降低，说明脆性指数与围压呈负相关。B与岩石脆性呈正相关，因此，岩石脆性随围压的增加而降低。图7为脆性指数随方向角变化的总体趋势。随着α的增大，岩石的脆性整体呈现先减弱后增强的趋势。一般情况下，α＝0°的试样脆性略大于α＝90°，方向角为30～60°的层状岩石脆性最弱。

不同围压下岩石试件破坏模式如图8、9、10所示。σ₃＝0MPa时，试件的多数劈裂破坏伴随局部剪切破坏。随着围压从0MPa增加到15MPa，劈裂破坏裂隙逐渐减少，说明围压抑制了岩石的破坏。σ₃＝15MPa时，岩样主要出现局部斜裂缝。裂纹较多和劈裂破坏表现出岩石具有较强的脆性。不同的能量积累、耗散和释放导致不同的破坏模式。

由B计算结果可知，当围压为0时α＝45°的岩石脆性高于α＝60°(见图11中“0.170.14”位置处的虚线框)。α＝45°的岩样比α＝60°的岩样有更多的裂纹和大范围破裂(图10(a))，这意味着σ₃＝0MPa时α＝45°的岩石脆性更大。这与本发明的脆性指数B相吻合。与α＝0°相比，当σ₃＝5MPa时，α＝15°试样出现更多的劈裂破坏(图10(b))。因此，当σ₃＝5MPa时，α＝15°的岩石脆性强于α＝0°，这与本文的结论一致。B结果表明，当σ₃＝10MPa时(图11中“0.05”、“0.02”两处虚线框)，α＝15°的岩石脆性大于α＝45°。当α＝15°时岩石劈裂裂隙较多(图10(c))，说明B的计算结果与岩样破坏模式符合。这证明了该方法的可靠性。当σ₃＝15MPa时，α＝0°的脆性强于α＝15°，三轴压缩试验结果验证了这一点(图10(d))。

本发明提出的新的脆性指数综合考虑围压和横观各向同性岩石弹性模量对脆性的影响。根据峰前吸收的能量等于弹性能和耗散能之和，峰后耗散的能量等于释放的弹性能和吸收的能量之和的能量平衡原理，建立脆性与能量参数之间的关系。峰前弹性能的积累速率和峰后弹性能的耗散速率越大，岩石脆性越强。岩石加载过程中，弹性能先上升后下降，在应力达到峰值时达到最大值。吸收能和耗散能随轴向应变的增大而单调增加。提出的脆性指标能够更有效、准确地评价岩石的脆性。

Claims (1)

1.一种考虑围压及方位角的层状岩石脆性评估方法，其特征在于：所述层状岩石脆性评估方法包括：

1)实地采集多份岩石样本；

2)对每份岩石样本单独进行三轴压缩试验直至样本破坏；单次试验过程中，先根据设定的环境参数对试验环境进行调节，然后再进行加载操作；所述环境参数包括方位角参数和围压参数；对试验环境进行调节时，根据方位角参数对岩石样本的姿态进行调节，根据围压参数对岩石样本周围的围压数值进行调节；各次试验所对应的环境参数各不相同；

3)根据试验数据，得到岩石的应力-应变曲线；根据应力-应变曲线计算出B₁、B₂、B₃；

所述B₁为峰前脆性指数， 为应力峰值点处岩石具备的弹性能，/>为达到应力峰值前岩石的总吸收能；

所述B₂为弹性能峰后耗散率指数， 为达到应力峰值后岩石释放的弹性能，/>为达到应力峰值后岩石获得的耗散能；

所述B₃为弹性能耗散程度指数，

4)按下式计算出岩石的脆性指数B：