CN116429595A - 重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，步骤为：(1)、制作裂隙岩石试样母样，并进行裂隙形貌扫描和内部CT扫描，提取几何特征数据；(2)、根据几何特征数据，采用裂隙面雕刻和3D打印技术，制作多个子样；(3)、母样和部分子样进行直接剪切试验，比较应力应变试验曲线的吻合程度，校核子样的制备方法；(4)、子样进行剪切渗流试验，分析剪切应力‑剪切位移‑时间曲线；(5)、子样进行剪切渗流蠕变试验，分析剪切应力‑剪切位移‑时间曲线；(6)、子样进行剪切渗流疲劳试验，分析剪切应力‑剪切位移‑时间曲线；(7)、对比分析蠕变试验和疲劳试验的结果，等效损伤变量，得到疲劳试验替代蠕变试验的方法，并计算疲劳长期强度。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法。
背景技术
蠕变是岩石的重要力学特性之一，岩石蠕变往往是地下工程、构筑物基础、边坡产生大变形乃至失稳的重要原因之一。影响岩石蠕变特性的主要因素有应力、时间，除此之外，渗流和温度对蠕变特性的影响，也逐渐受到众多学者的关注。岩土工程不断向地下空间延伸，同时考虑渗流和温度条件下深部岩体的流变特性十分必要。
目前国内外对岩石蠕变的研究多集中在三轴压缩条件下岩石蠕变特性的研究，对岩石节应力-渗流耦合的长期剪切蠕变机制的研究相对较少，为保证渗流剪切盒的密封性，在试验过程中能实现的最大渗透水压不高，以往研究中涉及到高渗透水压的成果较少。
在试样制作方式上，传统方式是对同一材料试样进行水射流切割或雕刻机切割重构裂隙，没有考虑重构裂隙倾角和长度不能完全一致并且无法很好地控制非贯通裂隙的尺寸长度导致的非试验因素对试验的影响。
蠕变试验加载耗时时间长，且高刚度、高稳定性的岩石流变力学试验设备比较缺乏，限制了对蠕变特性的研究。
为此，本发明对涉及渗流的剪切试验进行改良，在渗流试验时施加围压，保证胶套对试样的包裹实现防渗。能保证剪切盒在高渗透压力作用下(高达2MPa)正常稳定运转；提供一种裂隙面雕刻和3D打印技术结合，制作重构裂隙岩石试样的方法；并通过损伤变量，对蠕变试验和疲劳试验进行等效，根据疲劳试验结果推算试样的长期强度。
目前国内相关岩石蠕变特性试验现状如下：
1、《含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究》一文介绍了一种利用利用SHPB装置对含预制裂隙大理岩试样进行了动态压缩试验(参见《岩石力学与工程学报》2017年第12期，作者：李地元，韩震宇)，在此文中，利用了分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台，对湖南省耒阳市的大理岩进行了动态压缩试验，采用传统方法对天然岩石进行预制裂隙切割，而忽略了同种试样中预制裂隙倾角和长度不能保证完全一致的问题；
2、《考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究》一文以北山花岗岩为研究对象开展了不同温度条件下的蠕变特征试验研究，并结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律，提出了一种新的高温损伤流变元件，该试验没有考虑渗流作用，与实际的深部岩石工况相差较大；
3、《岩石节理剪切-渗流耦合试验系统的研制》一文进行了岩石节理剪切-渗流耦合试验系统的开发和研制研究(参见《岩石力学与工程学报》2008年第6期，作者：夏才初，等)，详细介绍试验系统的组成和功能，但其渗透压力只达到0.5MPa，难以在高渗透水压的深部岩石研究中推广。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，步骤如下：
(1)、制作裂隙岩石试样作为母样，并进行裂隙面形貌扫描和内部孔隙裂隙结构的CT扫描，提取裂隙岩石试样的几何特征数据；
(2)、根据几何特征数据，采用裂隙面雕刻和3D打印技术，加工制作多个重构裂隙岩石试样作为子样，使重构裂隙复刻母样的裂隙几何特征；
(3)、对裂隙岩石试样母样和部分子样进行直接剪切试验，比较子样的应力应变试验曲线与母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核能反映母样力学特性的子样重构裂隙的制备方法；
(4)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(5)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流蠕变试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(6)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流疲劳试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(7)、对比分析重构裂隙剪切渗流蠕变试验和重构裂隙剪切渗流疲劳试验的试验结果，通过等效损伤变量，得到用重构裂隙剪切渗流疲劳试验替代重构裂隙剪切渗流蠕变试验的方法，并根据疲劳试验的数据计算疲劳长期强度；
(8)、通过疲劳长期强度，绘制疲劳极限轨迹线和蠕变极限轨迹线。
附图说明
图1为重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法流程图；
图2为岩石应力–渗流耦合剪切流变试验系统原理图；
图3为等时应力应变曲线图；
图4为重构裂隙剪切渗流疲劳试验损伤变量计算式变量示意图；
图5为重构裂隙剪切渗流蠕变试验损伤变量计算式变量示意图；
图6为重构裂隙剪切渗流疲劳试验应变示意图；
图7为疲劳极限轨迹线图；
图8为蠕变极限轨迹线图；
图9为重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法流程简图；
具体实施方式
如图1所示，重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，步骤如下：
1、制作裂隙岩石试样作为母样，并进行裂隙面形貌扫描和内部孔隙裂隙结构的CT扫描，提取裂隙岩石试样的几何特征数据，具体方法如下：
制作直径为25mm，高度为50mm形状规整的圆柱体岩石试样作为母样，通过巴西劈裂试验，将母样劈裂成含粗糙裂隙面的2部分，记为母样裂隙面1、母样裂隙面2；利用CT扫描技术，通过入射X射线，获取母样孔隙的几何形状、尺寸大小、空间分布及相互连通关系；通过非接触式激光形貌扫描仪获取母样粗糙裂隙面形貌参数的几何特征数据，如粗糙度、平均开度、节理面粗糙度系数(JRC)等；
2、根据几何特征数据，采用裂隙面雕刻和3D打印技术，加工制作多个重构裂隙岩石试样作为子样，使重构裂隙复刻母样的裂隙几何特征，具体方法如下：
将待制作重构裂隙的岩石试样，用切割机延纵轴中截面切割为均匀的2块，形成平整光滑的截面，其截面记为待加工截面1、待加工截面2；
根据非接触式激光形貌扫描仪获取的母样粗糙裂隙面形貌参数的几何特征数据，采用高精度机械雕刻机在待加工截面1、待加工截面2表面进行三维雕刻，重构出母样裂隙面1、母样裂隙面2的裂隙形貌作为子样；对雕刻后的子样裂隙面1、子样裂隙面2的裂隙形貌进行激光扫描获取其裂隙面形貌参数的几何特征数据，检查重构的子样裂隙面复制母样裂隙面的几何特征的完整程度；
对于子样裂隙面1、子样裂隙面2的裂隙形貌因雕刻精度造成的局部残缺未能完美复制母样裂隙面的几何特征的区域，采用3D打印技术补全局部残缺区域；根据非接触式激光形貌扫描和CT扫描提取的母样几何特征数据，构建三角网格模型(STL)，采用Avizo软件构建完成岩心骨架的STL文件，导入3D打印机中，通过设定打印参数完成模型的信息离散开始打印工作；通过配比试验确定合适的3D打印原材料，原材料的强度参数与母岩的强度参数相近，误差不超过5％；选用酚醛树脂涂层的石英砂珠(coated silica beads,CBS)作为打印的基质材料，采用选择性激光烧结技术(SLS)，以酚醛树脂作为黏结剂制备3D打印材料，利用酚醛树脂极好的耐高温性，获得3D打印制作的修补后的子样裂隙面3、子样裂隙面4；试样进行水饱和处理：将加工好的试样置于25℃水中，浸泡60h使试样完全饱和；随后，将试样置于恒温恒湿箱中存放；
3、对裂隙岩石试样母样和部分子样进行直接剪切试验，比较子样的应力应变试验曲线与母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核能反映母样力学特性的子样重构裂隙的制备方法，具体方法如下：
将饱和重构裂隙岩石试样母样和子样，分别置于岩石剪切流变试验仪上进行直接剪切试验，将剪切盒定位，然后对试样进行法向应力和剪切应力预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加法向应力至4MPa，然后保持法向应力不变，对试样施加剪切应力，剪切速率为0.1mm/min至剪切破坏，通过比较子样和母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核裂隙面雕刻和3D打印技术制作的重构裂隙岩石试样子样的力学性质，得到子样峰值强度，作为后续流变试验和疲劳试验的加载依据；
4、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，具体方法如下：
采用岩石裂隙面剪切渗流试验装置进行不同工况的重构裂隙剪切渗流试验，试验系统原理见图2，试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用分级加载，具体分级方法：剪切应力τ分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对子样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切试验，以0.05MPa/s的加载速度加载剪切应力τ至第一级应力值，待渗透水量稳定后，以0.05MPa/s的速率加载至下级应力值；根据剪切渗流试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制不同温度下的剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线，确定不同温度，剪切应力下的瞬时剪切强度；
特制耐高温橡胶套适用温度0-400℃，承受围压0-200MPa，耐酸碱腐蚀，渗透率超低；
5、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流蠕变试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，具体方法如下：
试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用分级加载，具体分级方法：剪切应力分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对试样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压不变，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切渗流蠕变试验，对试样进行第一级主动剪切加载，剪切应力τ为峰值强度的20％，保持24h左右，待到子样蠕变变形值小于0.001mm/2h时，认为蠕变变形已达到稳定，以0.05MPa/s的速率进行下一级加载；根据剪切渗流蠕变试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线；再根据阶梯蠕变结果，选取每一级加载后相同时间剪切应变值，得到如图3，等时应力应变曲线；
6、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流疲劳试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，具体方法如下：
试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用恒下限分级疲劳加载，具体分级方法：剪切应力分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对子样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压至2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压不变，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切渗流疲劳试验，在本实验中，只采用一种加载波形和频率，研究不同的上限应力对疲劳破坏过程的影响，循环载荷的上限应力即为该级剪切应力值，周期载荷频率设为0.1Hz，加载波形为正弦波，加载路径为恒下限加载，即每次将剪切应力加载至目标值后卸载至峰值强度的10％；待到子样切向应变速率小于0.001mm/2h时，认为变形已达到稳定，随后以0.05MPa/s的速率施加轴压至下级应力值；根据剪切渗流疲劳试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线；提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，绘制上限应力对应剪切应变γ-时间t曲线；
7、对比分析重构裂隙剪切渗流蠕变试验和重构裂隙剪切渗流疲劳试验的试验结果，通过等效损伤变量，得到用重构裂隙剪切渗流疲劳试验替代重构裂隙剪切渗流蠕变试验的方法，并根据疲劳试验的数据计算疲劳长期强度，具体方法如下：
蠕变加载方式，即对子样用某一固定应力水平进行长期加载，固定应力的应力幅值为0，此时，蠕变试验便等效为应力幅值趋近0的循环次数无限多的疲劳加载试验；和扰动应力水平相比，扰动载荷的频率和波形对疲劳的影响是次要的；
具体等效方法如下：
疲劳加载下的损伤变量DFatigue：
式中：E——子样初始弹性模量；
E'——子样疲劳卸载弹性模量；
γ——剪切应变；
γ'——疲劳卸载残余应变；
重构裂隙剪切渗流疲劳试验损伤变量式中各变量的具体含义见图4；
蠕变加载下的损伤变量DCreep：
式中：E——子样初始弹性模量；
Et——任一时刻的蠕变弹性模量；
重构裂隙剪切渗流蠕变试验损伤变量式中各变量的具体含义见图5；
根据上两式分别计算各级循环过程中损伤变量和蠕变过程中任一时刻的损伤变量，根据损伤变量等效的关系DCreep＝DFatigue，将重构裂隙剪切渗流疲劳试验上限应力所对应的应变值等效为重构裂隙剪切渗流蠕变试验中固定应力对应的应变值，获得典型蠕变过程曲线；
利用重构裂隙剪切渗流疲劳试验结果推算子样的疲劳长期强度，子样的疲劳长期强度即黏塑性应变率趋近于0时的应力水平；通过建立应力水平与黏塑性应变率之间的函数关系，推得子样的疲劳长期强度；
γvp＝γ-γep-γve
式中:γvp——黏塑性应变量；
γ——剪切应变总量；
γep——瞬时应变量；
γve——黏弹性应变量；
其中γ和γep由重构裂隙剪切渗流疲劳试验直接测得,采用恒下限分级疲劳加载，卸载至下限应力时，γve为采用较低应力水平时测得的黏弹性应变量和卸载恢复掉的那部分黏弹性应变量之和；变量具体含义见图6；
黏塑性应变率表示为
式中:η2——塑性黏滞系数
当剪切应力
时
当剪切应力
时
进一步表示为
将重构裂隙剪切渗流疲劳试验得到的黏塑性应变率
与对应剪切应力τ绘制在坐标系中，通过分级加载疲劳试验获得多组黏塑性应变率与对应剪切应力的数据点，拟合获得一条直线，直线的截距就是子样的疲劳长期强度/>
8、通过疲劳长期强度，绘制疲劳极限轨迹线和蠕变极限轨迹线，具体方法如下：
当剪切应力水平低于疲劳长期强度
时，由于其剪切应力水平较低，重构裂隙剪切渗流疲劳试验上限应力所对应的应变值获得的疲劳过程曲线将不会出现非稳态疲劳阶段，此时子样不会破坏，其最终剪切应变量可以在疲劳极限轨迹线中找到；
采用同样的思路，提取分级加载的各级应力值，采用分别加载的方式，进行重构裂隙剪切渗流疲劳试验，获得不同上限应力条件对应极限应变值，连接不同荷载对应极限应变值、疲劳起始应力
和疲劳长期强度/>
获得疲劳极限轨迹线，如图7；将疲劳极限轨迹等效表征重构裂隙剪切渗流蠕变试验的蠕变极限轨迹线，获得蠕变起始应力/>
和蠕变长期强度/>
如图8。
Claims (9)
1.一种重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、制作裂隙岩石试样作为母样，并进行裂隙面形貌扫描和内部孔隙裂隙结构的CT扫描，提取裂隙岩石试样的几何特征数据；
(2)、根据几何特征数据，采用裂隙面雕刻和3D打印技术，加工制作多个重构裂隙岩石试样作为子样，使重构裂隙复刻母样的裂隙几何特征；
(3)、对裂隙岩石试样母样和部分子样进行直接剪切试验，比较子样的应力应变试验曲线与母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核能反映母样力学特性的子样重构裂隙的制备方法；
(4)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(5)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流蠕变试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(6)、用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流疲劳试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律；
(7)、对比分析重构裂隙剪切渗流蠕变试验和重构裂隙剪切渗流疲劳试验的试验结果，通过等效损伤变量，得到用重构裂隙剪切渗流疲劳试验替代重构裂隙剪切渗流蠕变试验的方法，并根据疲劳试验的数据计算疲劳长期强度；
(8)、通过疲劳长期强度，绘制疲劳极限轨迹线和蠕变极限轨迹线。
2.根据权利要求1所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，制作裂隙岩石试样作为母样，并进行裂隙面形貌扫描和内部孔隙裂隙结构的CT扫描，提取裂隙岩石试样的几何特征数据，方法如下：
制作直径为25mm，高度为50mm形状规整的圆柱体岩石试样作为母样，通过巴西劈裂试验，将母样劈裂成含粗糙裂隙面的2部分，记为母样裂隙面1、母样裂隙面2；利用CT扫描技术，通过入射X射线，获取母样孔隙的几何形状、尺寸大小、空间分布及相互连通关系；通过非接触式激光形貌扫描仪获取母样粗糙裂隙面形貌参数的几何特征数据，如粗糙度、平均开度、节理面粗糙度系数(JRC)等。
3.根据权利要求1-2所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，根据几何特征数据，采用裂隙面雕刻和3D打印技术，加工制作多个重构裂隙岩石试样作为子样，使重构裂隙复刻母样的裂隙几何特征，方法如下：
将待制作重构裂隙的岩石试样，用切割机延纵轴中截面切割为均匀的2块，形成平整光滑的截面，其截面记为待加工截面1、待加工截面2；
根据非接触式激光形貌扫描仪获取的母样粗糙裂隙面形貌参数的几何特征数据，采用高精度机械雕刻机在待加工截面1、待加工截面2表面进行三维雕刻，重构出母样裂隙面1、母样裂隙面2的裂隙形貌作为子样；对雕刻后的子样裂隙面1、子样裂隙面2的裂隙形貌进行激光扫描获取其裂隙面形貌参数的几何特征数据，检查重构的子样裂隙面复制母样裂隙面的几何特征的完整程度；
对于子样裂隙面1、子样裂隙面2的裂隙形貌因雕刻精度造成的局部残缺未能完美复制母样裂隙面的几何特征的区域，采用3D打印技术补全局部残缺区域；根据非接触式激光形貌扫描和CT扫描提取的母样几何特征数据，构建三角网格模型(STL)，采用Avizo软件构建完成岩心骨架的STL文件，导入3D打印机中，通过设定打印参数完成模型的信息离散开始打印工作；通过配比试验确定合适的3D打印原材料，原材料的强度参数与母岩的强度参数相近，误差不超过5％；选用酚醛树脂涂层的石英砂珠(coated silica beads,CBS)作为打印的基质材料，采用选择性激光烧结技术(SLS)，以酚醛树脂作为黏结剂制备3D打印材料，利用酚醛树脂极好的耐高温性，获得3D打印制作的修补后的子样裂隙面3、子样裂隙面4；试样进行水饱和处理：将加工好的试样置于25℃水中，浸泡60h使试样完全饱和；随后，将试样置于恒温恒湿箱中存放。
4.根据权利要求1-3所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，对裂隙岩石试样母样和部分子样进行直接剪切试验，比较子样的应力应变试验曲线与母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核能反映母样力学特性的子样重构裂隙的制备方法，方法如下：
将饱和重构裂隙岩石试样母样和子样，分别置于岩石剪切流变试验仪上进行直接剪切试验，将剪切盒定位，然后对试样进行法向应力和剪切应力预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加法向应力至4MPa，然后保持法向应力不变，对试样施加剪切应力，剪切速率为0.1mm/min至剪切破坏，通过比较子样和母样应力应变试验曲线的吻合程度，校核裂隙面雕刻和3D打印技术制作的重构裂隙岩石试样子样的力学性质，得到子样峰值强度，作为后续流变试验和疲劳试验的加载依据。
5.根据权利要求1-4所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，方法如下：
采用岩石裂隙面剪切渗流试验装置进行不同工况的重构裂隙剪切渗流试验，试验系统原理见说明书附图2，试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用分级加载，具体分级方法：剪切应力τ分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对子样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切试验，以0.05MPa/s的加载速度加载剪切应力τ至第一级应力值，待渗透水量稳定后，以0.05MPa/s的速率加载至下级应力值；根据剪切渗流试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制不同温度下的剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线，确定不同温度，剪切应力下的瞬时剪切强度；
特制耐高温橡胶套适用温度0-400℃，承受围压0-200MPa，耐酸碱腐蚀，渗透率超低。
6.根据权利要求1-5所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流蠕变试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，方法如下：
试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用分级加载，具体分级方法：剪切应力分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对试样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压不变，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切渗流蠕变试验，对试样进行第一级主动剪切加载，剪切应力τ为峰值强度的20％，保持24h左右，待到子样蠕变变形值小于0.001mm/2h时，认为蠕变变形已达到稳定，以0.05MPa/s的速率进行下一级加载；根据剪切渗流蠕变试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线；再根据阶梯蠕变结果，选取每一级加载后相同时间剪切应变值，得到如说明书附图3，等时应力应变曲线。
7.根据权利要求1-6所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，用重构的裂隙岩石试样子样，进行不同温度下重构裂隙剪切渗流疲劳试验，分析不同工况下的剪切应力-剪切位移-时间曲线规律，方法如下：
试验进行0℃、50℃、100℃、150℃和200℃五组，采用恒下限分级疲劳加载，具体分级方法：剪切应力分别选取步骤3峰值强度的20％、40％、60％、80％、100％，具体加载目标值在试验时依情况调整；将子样置于岩石剪切流变试验仪上进行剪切渗流试验，子样密封采用特制耐高温橡胶套，在围压作用下对子样周围的包裹实现防渗，将剪切盒定位，然后对子样进行垂向和切向预加载，先以0.05MPa/s的加载速度施加围压至2MPa，然后保持围压不变，以0.05MPa/s的速率施加法向应力至4MPa，加载稳定后，启动恒压恒速泵，进水口保持2.0MPa的渗透水压，出水口保持大气压不变，待渗水量稳定，打开温控开关，使三轴室保持恒温；对子样进行剪切渗流疲劳试验，在本实验中，只采用一种加载波形和频率，研究不同的上限应力对疲劳破坏过程的影响，循环载荷的上限应力即为该级剪切应力值，周期载荷频率设为0.1Hz，加载波形为正弦波，加载路径为恒下限加载，即每次将剪切应力加载至目标值后卸载至峰值强度的10％；待到子样切向应变速率小于0.001mm/2h时，认为变形已达到稳定，随后以0.05MPa/s的速率施加轴压至下级应力值；根据剪切渗流疲劳试验试验结果，应用Boltzmann原理进行叠加，以温度为参数，绘制剪切应力τ-剪切应变γ和剪切应变γ-时间t的剪切特性曲线；提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，绘制上限应力对应剪切应变γ-时间t曲线。
8.根据权利要求1-7所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，对比分析重构裂隙剪切渗流蠕变试验和重构裂隙剪切渗流疲劳试验的试验结果，通过等效损伤变量，得到用重构裂隙剪切渗流疲劳试验替代重构裂隙剪切渗流蠕变试验的方法，并根据疲劳试验的数据计算疲劳长期强度，方法如下：
蠕变加载方式，即对子样用某一固定应力水平进行长期加载，固定应力的应力幅值为0，此时，蠕变试验便等效为应力幅值趋近0的循环次数无限多的疲劳加载试验；和扰动应力水平相比，扰动载荷的频率和波形对疲劳的影响是次要的；
具体等效方法如下：
疲劳加载下的损伤变量DFatigue：
式中：E——子样初始弹性模量；
E'——子样疲劳卸载弹性模量；
γ——剪切应变；
γ'——疲劳卸载残余应变；
重构裂隙剪切渗流疲劳试验损伤变量式中各变量的具体含义见说明书附图4；
蠕变加载下的损伤变量DCreep：
式中：E——子样初始弹性模量；
Et——任一时刻的蠕变弹性模量；
重构裂隙剪切渗流蠕变试验损伤变量式中各变量的具体含义见说明书附图5；
根据上两式分别计算各级循环过程中损伤变量和蠕变过程中任一时刻的损伤变量，根据损伤变量等效的关系DCreep＝DFatigue，将重构裂隙剪切渗流疲劳试验上限应力所对应的应变值等效为重构裂隙剪切渗流蠕变试验中固定应力对应的应变值，获得典型蠕变过程曲线；
利用重构裂隙剪切渗流疲劳试验结果推算子样的疲劳长期强度，子样的疲劳长期强度即黏塑性应变率趋近于0时的应力水平；通过建立应力水平与黏塑性应变率之间的函数关系，推得子样的疲劳长期强度；
γvp＝γ-γep-γve
式中:γvp——黏塑性应变量；
γ——剪切应变总量；
γep——瞬时应变量；
γve——黏弹性应变量；
其中γ和γep由重构裂隙剪切渗流疲劳试验直接测得,采用恒下限分级疲劳加载，卸载至下限应力时，γve为采用较低应力水平时测得的黏弹性应变量和卸载恢复掉的那部分黏弹性应变量之和；变量具体含义见说明书附图6；；
黏塑性应变率表示为
式中:η2——塑性黏滞系数
当剪切应力
时
当剪切应力
时
进一步表示为
将重构裂隙剪切渗流疲劳试验得到的黏塑性应变率
与对应剪切应力τ绘制在坐标系中，通过分级加载疲劳试验获得多组黏塑性应变率与对应剪切应力的数据点，拟合获得一条直线，直线的截距就是子样的疲劳长期强度/>
9.根据权利要求1-8所述的重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法，其特征在于，通过疲劳长期强度，绘制疲劳极限轨迹线和蠕变极限轨迹线，方法如下：
剪切应力水平低于疲劳长期强度
时，由于其剪切应力水平较低，重构裂隙剪切渗流疲劳试验上限应力所对应的应变值获得的疲劳过程曲线将不会出现非稳态疲劳阶段，此时子样不会破坏，其最终剪切应变量可以在疲劳极限轨迹线中找到；
采用同样的思路，提取分级加载的各级应力值，采用分别加载的方式，进行重构裂隙剪切渗流疲劳试验，获得不同上限应力条件对应极限应变值，连接不同荷载对应极限应变值、疲劳起始应力
和疲劳长期强度/>
获得疲劳极限轨迹线，如说明书附图7；将疲劳极限轨迹等效表征重构裂隙剪切渗流蠕变试验的蠕变极限轨迹线，获得蠕变起始应力/>
和蠕变长期强度/>
如说明书附图8。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310334800.6A CN116429595A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202310334800.6A CN116429595A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 重构裂隙剪切渗流的蠕变与疲劳等效试验与分析方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116429595A true CN116429595A (zh) | 2023-07-14 |
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| CN (1) | CN116429595A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116893104A (zh) * | 2023-09-07 | 2023-10-17 | 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 |
-
2023
- 2023-03-31 CN CN202310334800.6A patent/CN116429595A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116893104A (zh) * | 2023-09-07 | 2023-10-17 | 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 |
| 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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