CN116337627B - 一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，属于地质工程技术领域，在岩石强度的测量过程中，考虑封闭应力的影响，得到岩石的真实强度，能够用以建立储能岩石真实强度的定义、测试与应用；该方法包括：S1、对岩石进行封闭应力测量获得三个主应力大小和相应方向；S2、沿垂直于主应力的方向将岩石切割成立方体样品；S3、对样品进行第一主应力方向的单轴压缩实验，将样品破坏荷换算为应力记为岩石名义单轴抗压强度；S4、确定岩石名义单轴抗压强度和第二、第三主应力平均值的函数关系；S5、将第二、第三主应力平均值赋值为0，得到岩石实际单轴抗压强度；S6、根据岩石实际单轴抗压强度，确定第一主应力方向上的岩石真实强度。

Description

一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法

技术领域

本发明涉及地质工程技术领域，尤其涉及一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法。

背景技术

随着国民经济的发展，人类对地下空间开发的强度越来越大，人类向深地要资源、要空间、要安全的需求越来越强烈。面对越来越多的深部岩体工程，岩爆、冲击地压、矿震、洞壁劈裂、围岩分区破裂和巷道大变形等与能量转移和释放密切相关的岩石力学现象和工程问题更加普遍。

封闭应力是一种在消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在材料内的自相平衡的内应力。Brady等认为，由于岩体的非均匀冷却或热膨胀系数差异，岩石介质中各种局部矿物变化也会产生应变和封闭应力。多位院士都曾强调过封闭应力在力学、地震学、岩体力学研究中的重要意义；众学者试图用封闭应力观点来解释岩爆、分区碎裂化、岩芯饼化等岩石力学现象。其科学本质可概括为：封闭应力导致的岩石储能微观结构机制及能量释放与调控机制。

由于岩石材料的内磨擦和剪胀性，岩石和岩块系（岩体）具有微观上和宏观上的储能特性。深部岩体在高地应力的形成过程中产生了变形，从能量的观点来说，岩体在该过程中积累了一定的变形能和势能，使其成为储能岩体。由于地质构造的原因，部分能量会以封闭应力的形式封闭在岩石微结构中，使之成为一种具有自平衡性质的应力包裹体，所以深部岩体具有能量源和能量汇的特性。

中国专利CN113433150B（一种岩石封闭应力的确定方法）给出了测定岩石封闭应力的方法。

在岩石存在封闭应力条件下，直接测试得到的强度值并不能代表其真实强度，也就是说这个测试值不能直接用于工程中岩体承载能力的确定，否则可能带来非常严重的后果，应该充分考虑封闭应力对于岩石宏观力学性质表现的影响。在实际设计中，取用岩石真实强度，以反映其真实承载能力。

因此，有必要研究一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，在岩石强度的测量过程中，考虑封闭应力的影响，得到岩石的真实强度，能够用以建立储能岩石真实强度的定义、测试与应用。

本发明提供一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，所述方法的步骤包括：

S1、对岩石进行封闭应力测量，获得岩石封闭应力的三个主应力大小和相应的方向；

S2、根据三个主应力的方向，沿垂直于主应力的方向将岩石切割成立方体样品；

S3、对若干样品分别进行第一主应力方向的单轴压缩实验，将样品的破坏荷换算为应力，记为岩石名义单轴抗压强度；

S4、根据S3的实验结果和S1的测量结果，确定岩石名义单轴抗压强度和第二、第三主应力平均值的函数关系；

S5、将第二、第三主应力平均值赋值为0，根据S4中的函数关系，得到岩石实际单轴抗压强度；

S6、根据S5的岩石实际单轴抗压强度，确定第一主应力方向上的岩石真实强度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中单轴压缩实验所用样品的数量不少于3个，且单轴压缩实验用所有样品的第一主应力的最大值和最小值之差足够小，第二、第三主应力的平均值各不相同（每个样品只有一个第二主应力、一个第三主应力，平均值为单个样品的第二主应力和第三主应力的平均值）。所有样品第一主应力的最大值和最小值之差不超过1.5MPa。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，单轴压缩实验用所有样品的第一主应力均相等。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S6中岩石真实强度的计算公式为：

岩石真实强度=岩石实际单轴抗压强度+第一主应力的值。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法中使用的岩石均为同一岩层的不同部位的岩石样品。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中立方体样品的边长为2~5cm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，岩石名义单轴抗压强度和第二、第三主应力平均值的函数关系为线性函数关系。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线性函数关系的斜率通过线性拟合的方式获得。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线性函数关系为正相关线性函数关系。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中确定函数关系的试验数据不少于3组。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明在岩石强度的测试过程中，考虑封闭应力的影响，计算得到岩石的真实强度，用以建立储能岩石真实强度的定义、测试和应用，其可以用于工程中岩体承载能力的确定。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的岩石真实强度的确定方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的岩石样品封闭主应力示意图；

图3是本发明一个实施例提供的随/>的变化曲线图。

实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以深部工程岩体的地质力学特性为出发点，以岩石材料的封闭应力及其影响下的岩石真实强度问题为主线，旨在研究考虑封闭应力的岩石真实强度，揭示实验室测得的岩石抗压强度与岩石真实强度的相对关系，并建立岩石真实强度的概念和表征方法。

岩石真实强度的确定方法如图1所示，其步骤包括：

（1）测试获得岩石中的封闭应力：

采用专利CN113433150B（一种岩石封闭应力的确定方法）中的方法，对岩石进行封闭应力测量，获得岩石样品的封闭应力的主应力大小和方向；三方向的主应力大小用（）表示。

（2）加工实验样品：

按照测得的封闭主应力的方向，将岩石以垂直于三个主应力的方向切割成立方体样品，如图2所示。

（3）开展样品的单轴压缩实验：

对样品沿方向进行单轴压缩实验；其中，/>方向为测量宏观残余应力时确定的方向，与测试结果相关，是测试出来的三个主应力方向中的第一主应力方向；记录每个样品单轴压缩实验破坏时的破坏荷载，并换算为应力（这里的应力是指单轴压缩实验时的抗压强度，也就是试样单位面积所承受的压力）；将样品破坏时的应力记为岩石名义单轴抗压强度/>。

（4）真实强度的计算：

由于新增加了单轴主压应力（/>是沿/>方向施加荷载后，样品中在/>方向额外增加的应力，也就是说，/>是/>的过程量，/>是/>在加载临近破坏时的最大值）试样中的主应力分量为/>、/>。对于存在封闭应力的岩石样品，当/>非零时（类似于岩石三轴实验条件下，围压不为零的情况），试样中的侧向平均封闭主应力（平均围压）为。

岩石中存在封闭应力，相当于天然存在围压的情况，直接开展单轴压缩实验获得的测试结果必然不能反映岩石真实的强度。因此，计算岩石真实强度需要消除的影响，即：为了求得/>方向的岩石真实强度，需先求得/>时，/>方向的岩石名义单轴抗压强度。为此，测定/>为某定值（或一定范围），不同/>（/>为/>的平均值）岩石的名义单轴抗压强度/>，建立/>与/>的函数关系；根据函数关系可确定当/>时的名义单轴抗压强度，再由下式计算得到/>方向上的岩石真实强度/>。

。

实施例1

该实施例整个过程所采用的岩石为同一岩层或同一岩体中相同部位的若干小块石英岩。

（1）根据专利CN113433150B（一种岩石封闭应力的确定方法）中的方法，对岩石进行封闭应力测量实验，获得岩石样品的封闭应力（）参数。

表1中显示了针对该石英岩的封闭应力测量结果。

表1 岩石真实强度实验结果

（2）按照测得的封闭应力（）的方向，将岩石切割成方形试样，如图2所示，并对试样沿/>方向进行单轴压缩实验。

样品形状为立方体，边长2~5cm，样品数量根据实验要求和样品条件综合确定，一般3~5个，本实施例采用了3个。

（3）对新加工的立方体沿方向进行单轴压缩实验，记录每个样品破坏时的破坏荷载，并换算为应力；将样品破坏时的应力记为岩石名义单轴抗压强度，见表1中的/>。

由于并非为零，存在封闭主应力/>的平均应力/>。故计算考虑封闭应力的岩石真实强度需要消除/>的影响。为此，先测得/>为相对稳定值时岩石名义抗压强度/>与/>的关系，通过对同一岩层的不同部位岩石进行对照试验，可得出岩石名义抗压强度/>与/>的函数关系/>（/>）。由该关系可求出/>时的名义抗压强度/>，进而计算得到/>方向上岩石真实抗压强度。

在实验中研究与/>的关系时，对于选出一组样品，要求其中的/>为某一定值，且/>各自不同是很难做到的，可采用/>为相对稳定的样品组（相对稳定是指用/>的变化在一个小范围内；比如，/>的最大与最小差值不超过1.5MPa），来替代/>为某一定值的实验，从而测得/>与/>的关系。

（4）根据实验结果，绘制随/>的变化曲线，如图3所示。对数据进行线性拟合，可计算出斜率a，本次实验的拟合曲线斜率为/>。侧向平均封闭压应力/>对/>有影响，随的增大/>会增高，增高关系为/>，见表1中的/>。进一步可确定/>为0时的，见表1中的/>。最终，在/>方向的真实抗压强度为/>，见表1中的/>。

以上对本申请实施例所提供的一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (9)

1.一种考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1、对岩石进行封闭应力测量，获得岩石封闭应力的三个主应力大小和相应的方向；

S2、根据三个主应力的方向，沿垂直于主应力的方向将岩石切割成立方体样品；

S3、对若干样品分别进行第一主应力方向的单轴压缩实验，将样品的破坏荷换算为应力，记为岩石名义单轴抗压强度；

S4、根据S3的实验结果和S1的测量结果，确定岩石名义单轴抗压强度和第二、第三主应力的平均值的函数关系；

S5、将第二、第三主应力平均值赋值为0，根据S4中的函数关系，得到岩石实际单轴抗压强度；

S6、根据S5的岩石实际单轴抗压强度，确定第一主应力方向上的岩石真实强度；

岩石真实强度=岩石实际单轴抗压强度+第一主应力的值。

2.根据权利要求1所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，步骤S3中单轴压缩实验所用样品的数量不少于3个，且单轴压缩实验用所有样品的第一主应力的最大值和最小值之差足够小，不超过1.5MPa；单轴压缩实验用所有样品的第二主应力和第三主应力的平均值各不相同，该平均值=（第二主应力+第三主应力）/2。

3.根据权利要求2所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，单轴压缩实验用所有样品的第一主应力均相等。

4.根据权利要求1所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，所述方法中使用的岩石均为同一岩层的不同部位的岩石样品。

5.根据权利要求1所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，步骤S2中立方体样品的边长为2~5cm。

6.根据权利要求1所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，步骤S4中，岩石名义单轴抗压强度和第二、第三主应力平均值的函数关系为线性函数关系。

7.根据权利要求6所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，所述线性函数关系的斜率通过线性拟合的方式获得。

8.根据权利要求6所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，所述线性函数关系为正相关线性函数关系。

9.根据权利要求2所述的考虑封闭应力的岩石真实强度的确定方法，其特征在于，步骤S4中确定函数关系的试验数据不少于3组。