CN116935983B - 一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，涉及岩石物理力学技术领域，本发明包括通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，测取不同条件下冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N；构建冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型I_N＝I_r+(I₀‑I_r)e^‑λN；将I₀和I_N输入冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型，输出岩石物理力学指标的残余值I_r和岩石物理力学指标的衰减指数λ；将I_r、I₀和λ输入N_1/2＝ln[(1‑I_r/I₀)/(0.5‑I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2。

Description

一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法

技术领域

本发明涉及岩石物理力学技术领域，具体为一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法。

背景技术

近年来，寒区岩土工程建设日益增多，由冻融引发的一系列灾害严重威胁着工程建设和后期运营。随着寒区季节性变化和昼夜温差变化，岩石内部水冰相变，导致岩石孔裂隙结构变化，引起岩石物理力学性质劣化，进而影响岩土工程的稳定性。因此，岩石冻融导致的物理力学性质的演化规律研究对评价岩石的抗冻性和岩土工程的稳定性有重要意义。

当前，为预测岩石冻融后物理力学性质的演化，相关学者提出了多种预测模型。其中，Mutluturk等(2004)提出的冻融岩石衰减模型应用较为普遍，即I_N＝I₀e^-λN,式中，λ为衰减指数。当岩石物理力学指标降至初始值一半时所经历的冻融循环次数，为半衰期，即N_1/2＝ln2/λ。但该模型仅考虑冻融单一因子的影响。在该模型基础上，其他学者建立了考虑化学溶液和岩石初始性质的模型。如王鲁男等(2020)建立了考虑溶液pH值的粉砂岩单轴抗压强度和抗拉强度衰减预测模型。但已有模型无法反映岩石的残余性质，且大多未考虑应力水平、水化学环境等因素对冻融后岩石物理力学性质演化的影响，无法预测复杂现场环境下岩石物理力学性质的长期衰减规律。

因此，在现有模型基础上，提出一种既可反映岩石的残余性质，又适用于处于不同应力状态和水化学环境冻融岩石的描述，以揭示复杂现场环境中岩石冻融后物理力学性质的衰减规律。

发明内容

针对上述问题，本发明提出的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，包括以下步骤：

通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，测取不同条件下冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N；

构建冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型I_N＝I_r+(I₀-I_r)e^-λN；

将I₀和I_N输入冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型，输出岩石物理力学指标的残余值I_r和岩石物理力学指标的衰减指数λ；

将I_r、I₀和λ输入N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2。

进一步的，根据N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2时，该式适用于I_r/I₀<0.5；当I_r/I₀≥0.5，说明冻融损伤后岩石物理力学指标的残余值大于岩石初始值的一半。

进一步的，所述测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N，具体包括：

通过不同溶液类型和应力水平下的岩石冻融循环试验，利用岩石物理力学指标测量手段，分别测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融循环N次后岩石物理力学指标I_N；

其中，岩石物理力学指标测量手段包括但不限于：利用岩石单轴压缩试验获得单轴抗压强度、利用岩石三轴压缩试验获得三轴抗压强度、利用岩石巴西劈裂试验获得抗拉强度、利用超声波测试技术获得P波波速。

进一步的，实际应用时，采用冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型的相对形式进行，即

I_N/I₀＝I_r/I₀+(1-I_r/I₀)e^-λN，

得出某物理力学指标的相对值与冻融次数的关系，进而得到相应的衰减参数。

进一步的，利用预测模型预测岩石物理力学指标的半衰期N_1/2时，岩石物理力学指标包括但不限于岩石单轴抗压强度。

进一步的，利用预测模型预测岩石单轴抗压强度，具体包括以下步骤：

通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，并对冻融前和冻融N次后岩石样品进行单轴压缩试验，测取不同条件下冻融前岩石的单轴抗压强度σ₀、冻融循环N次后岩石单轴抗压强度σ_N；

构建冻融后岩石单轴抗压强度衰减程度的预测模型σ_N＝σ_r+(σ₀-σ_r)e^-λN，且预测模型的相对形式为σ_N/σ₀＝σ_r/σ₀+(1-σ_r/σ₀)e^-λN；

将σ₀和σ_N输入冻融后岩石单轴抗压强度衰减程度的预测模型，输出冻融后岩石单轴抗压强度的残余值σ_r和岩石单轴抗压强度的衰减指数λ；

将σ_r、σ₀和λ输入N_1/2＝ln[(1-σ_r/σ₀)/(0.5-σ_r/σ₀)]/λ，计算岩石单轴抗压强度的半衰期N_1/2。

进一步的，根据N_1/2＝ln[(1-σ_r/σ₀)/(0.5-σ_r/σ₀)]/λ，计算岩石单轴抗压强度的半衰期N_1/2时，该式适用于σ_r/σ₀<0.5；当σ_r/σ₀≥0.5，说明冻融损伤后岩石单轴抗压强度残余值大于岩石单轴抗压强度初始值的一半。

与现有技术相比，本发明提供的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，其有益效果是：

本发明相较于已有的预测模型，考虑了岩石的残余特性，提出可描述冻融后岩石物理力学演化的衰减模型，用于预测不同冻融次数后岩石的物理力学指标，并且亦适用于描述不同应力和水化学溶液下岩石的冻融损伤演化过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的不同应力水平下水溶液中冻融后砂岩相对强度与冻融循环次数的关系图；

图2为本发明实施例提供的不同应力水平下硫酸溶液中冻融后砂岩相对强度与冻融循环次数的关系图；

图3为本发明实施例提供的其他文献中冻融后岩石相对强度与冻融循环次数的关系图。

具体实施方式

下面结合附图1至图3，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，包括：

通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，测取不同条件下冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N；构建冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型I_N＝I_r+(I₀-I_r)e^-λN；将I₀和I_N输入冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型，输出岩石物理力学指标的残余值I_r和岩石物理力学指标的衰减指数λ；将I_r、I₀和λ输入N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2。

在本实施例中，根据N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2时，该式适用于I_r/I₀<0.5；当I_r/I₀≥0.5，说明冻融损伤后岩石物理力学指标的残余值大于岩石初始值的一半。

在本实施例中，测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N，具体包括：

通过不同溶液类型和应力水平下的岩石冻融循环试验，利用岩石物理力学指标测量手段，分别测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融循环N次后岩石物理力学指标I_N；其中，岩石物理力学指标测量手段包括但不限于：利用岩石单轴压缩试验获得单轴抗压强度、利用岩石三轴压缩试验获得三轴抗压强度、利用岩石巴西劈裂试验获得抗拉强度、利用超声波测试技术获得P波波速。

在本实施例中，实际应用时，采用冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型的相对形式进行，即

I_N/I₀＝I_r/I₀+(1-I_r/I₀)e^-λN，

得出某物理力学指标的相对值与冻融次数的关系，进而得到相应的衰减参数。

实施例2：

以岩石单轴抗压强度为例，本发明提供的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，包括：

一种预测冻融后岩石单轴抗压强度衰减程度的模型：

σ_N＝σ_r+(σ₀-σ_r)e^-λN， (1)

式中，σ₀为冻融前岩石的单轴抗压强度；σ_N为冻融循环N次后岩石单轴抗压强度；σ_r为冻融后岩石单轴抗压强度的残余值；λ为岩石单轴抗压强度的衰减指数。

该模型变换为相对形式：

σ_N/σ₀＝σ_r/σ₀+(1-σ_r/σ₀)e^-λN， (2)

相应地，岩石单轴抗压强度的半衰期为：

N_1/2＝ln[(1-σ_r/σ₀)σ(0.5-σ_r/σ₀)]/λ， (3)

该式适用于σ_r/σ₀<0.5；当σ_r/σ₀≥0.5，说明冻融损伤后岩石单轴抗压强度残余值大于岩石单轴抗压强度初始值的一半。

以岩石单轴抗压强度为例，具体实施步骤：

1.首先进行不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，并对冻融前和冻融N次后岩石样品进行单轴压缩试验，得到不同条件下岩石单轴抗压强度σ₀和σ_N；

2.基于室内试验结果，计算出不同化学溶液、应力水平和冻融次数下岩石的相对强度σ_N/σ₀；

3.采用式(1)的相对形式，即式(2)进行拟合，得出相对强度σ_N/σ₀与冻融次数N的关系，即可得到冻融后岩石单轴抗压强度的残余值和岩石单轴抗压强度的衰减指数λ；

4.将λ代入式(3)中可得岩石单轴抗压强度的半衰期N_1/2。

如图1至图3所示，通过试验，对实施例1提供的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法进行验证，结果如下：

图1为不同应力水平下水溶液中冻融后砂岩相对强度与冻融循环次数的关系，从图中可以看出，该模型可较好地预测岩石的单轴抗压强度，而Mutluturk et al.(2004)提出的模型适用性较差。结合表1，可以看出该模型拟合度较高(R²>0.94)，而Mutluturk模型拟合较差。图2为不同应力水平下硫酸溶液中冻融后砂岩相对强度与冻融循环次数的关系，从图中可看出，该模型可较好地预测岩石的单轴抗压强度。根据图1和图2可看出，岩石的残余强度是个常数，σ_r/σ₀均值为0.6161，即残余强度为岩石单轴抗压强度的61.61％；岩石单轴抗压强度的衰减指数λ与应力水平和化学溶液有关，当应力水平为0.7σ₀，衰减指数最大，且稀硫酸溶液中岩石冻融后的衰减指数大于水溶液，说明随应力水平增大，岩石强度衰减更快，稀硫酸溶液促进岩石强度衰减。

表1不同条件下冻融岩石单轴抗压强度衰减参数

图3为其他文献中冻融后岩石相对强度与冻融循环次数的关系，也可看出该衰减模型可较好地描述岩石单轴抗压强度的演化，且半衰期与Mutluturk et al.(2004)提出的模型确定的半衰期基本一致。

表2其他文献中岩石单轴抗压强度衰减参数

注：^a和^b是指数据分别来自张继周等(2008)和丁梧秀等(2015)。

该模型还可用于岩石的三轴抗压强度、抗拉强度、P波波速等物理力学指标衰减程度的预测。在此仅以岩石单轴抗压强度为例给出应用步骤。

结合试验结果，可以看出，本发明提供的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，具有以下的有益效果：

本发明以广泛应用的Mutluturk模型为基础，考虑岩石的残余特性，提出可描述冻融后岩石物理力学性质演化的衰减模型，用于预测不同冻融次数后岩石的物理力学指标，并且亦适用于不同应力和水化学溶液等复杂环境下岩石的冻融损伤演化过程描述。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N；

构建冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型I_N＝I_r+(I₀-I_r)e^-λN；

将I₀和I_N输入冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测模型，输出岩石物理力学指标的残余值I_r和岩石物理力学指标的衰减指数λ；

将I_r、I₀和λ输入N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2；

其中，利用预测模型预测岩石物理力学指标的半衰期N_1/2时，岩石物理力学指标包括岩石单轴抗压强度；

利用预测模型预测岩石单轴抗压强度，具体包括以下步骤：

通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，并对冻融前和冻融N次后岩石样品进行单轴压缩试验，测取不同条件下冻融前岩石的单轴抗压强度σ₀、冻融循环N次后岩石单轴抗压强度σ_N；

构建冻融后岩石单轴抗压强度衰减程度的预测模型σ_N＝σ_r+(σ₀-σ_r)e^-λN，且预测模型的相对形式为σ_N/σ₀＝σ_r/σ₀+(1-σ_r/σ₀)e^-λN；

将σ₀和σ_N输入冻融后岩石单轴抗压强度衰减程度的预测模型，输出冻融后岩石单轴抗压强度的残余值σ_r和岩石单轴抗压强度的衰减指数λ；

将σ_r、σ₀和λ输入N_1/2＝ln[(1-σ_r/σ₀)/(0.5-σ_r/σ₀)]/λ，计算岩石单轴抗压强度的半衰期N_1/2。

2.如权利要求1所述的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，其特征在于：

当I_r/I₀＜0.5，则根据N_1/2＝ln[(1-I_r/I₀)/(0.5-I_r/I₀)]/λ，计算岩石物理力学指标的半衰期N_1/2；

当I_r/I₀≥0.5，说明冻融损伤后岩石物理力学指标的残余值大于岩石初始值的一半。

3.如权利要求1所述的一种冻融后岩石物理力学性质衰减程度的预测方法，其特征在于，所述通过不同化学溶液和应力水平下的岩石冻融循环试验，测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融N次后岩石物理力学指标I_N，具体包括：

通过不同溶液类型和应力水平下的岩石冻融循环试验，利用岩石物理力学指标测量手段，分别测取冻融前岩石物理力学指标的初始值I₀、冻融循环N次后岩石物理力学指标I_N；

其中，岩石物理力学指标测量手段包括：利用岩石单轴压缩试验获得单轴抗压强度、利用岩石三轴压缩试验获得三轴抗压强度、利用岩石巴西劈裂试验获得抗拉强度、利用超声波测试技术获得P波波速。