专利名称：：硬岩强度时间效应的测定方法
技术领域：
：本发明涉及硬岩在不同应力状态条件下达到破坏所经历时间的一种硬岩强度时间效应的测定方法，是深埋地下洞室长期稳定评价的基础性试验资料，适用于高应力破坏比较严重的水工、交通隧洞的设计和施工期优化。
背景技术：
：深埋硬岩隧洞建设过程中，围岩往往都会出现高应力破坏现象，比较典型的破坏形式有片帮、破裂、应力节理等。无论是加拿大的URL地下试验场(花岗岩)、瑞典的HRL地下试验场(花岗岩)还是国内锦屏引水隧洞(大理岩)等不同岩性的深埋隧洞都观察到围岩高应力破坏的长期发展，即在不支护条件下片帮、破裂可以持续数月甚至数年。锦屏隧洞的施工过程中还发现在不同的埋深条件下，隧洞开挖后高应力破坏出现的时间呈现明显的差异，埋深越大高应力破坏出现得越早、持续时间越长；同时硬岩脆性特征的差异性也对高应力破坏出现的时间具有明显的影响，脆性特征越强高应力破坏出现得越早、破坏程度越激烈。因此，一个现实的问题就是解答高应力破坏何时能够趋于停止，即评价隧洞的长期稳定性。从岩石力学角度，上述现象涉及到硬岩强度时间效应的描述，显然这种描述需要建立应力水平、破裂发展、持续时间三者之间的定量关系。目前对岩石时间效应的研究更多关注的是变形问题，即流变，这种研究思路和相应的试验方法适用于软岩和以变形问题为主的地下工程。深埋硬岩隧洞的高应力破坏更多地属于脆性破坏，在围岩到达破坏之前一般不会产生明显的变位，因此传统的流变试验方法不再适用，需要从新的角度设计试验方法乃至后续的分析方法。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种硬岩强度时间效应的测定方法，旨在采用室内试验测定硬岩强度的时间效应，包括不同围压和轴向压力条件下，试样保持荷载水平不变到达破坏所经历的时间。该方法具备在常规设备上即可完成，节省开支，具备较强的可操作性和实用性的特点。本发明所采用的技术方案是硬岩强度时间效应的测定方法，其特征在于包括以下步骤1.1、准备8组硬岩试样，每组试样包含6块岩样，每块岩样尺寸50mmX100mm;1.2、第一组岩样全部在MTS上进行单轴压縮试验，试验按应变加载并记录压縮过程中的应力_应变曲线；同时采用AE设备监测压縮过程中的微裂纹破裂事件，根据MTS和AE的数据确定岩块的起裂强度o。i、损伤强度o。d以及单轴强度o。；1.3、第二组岩样进行常规三轴试验，试验所施加的围压分别为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20Mpa或25MPa，每种围压所对应的试验结果均采用Hoek-Brown强度包络线进行整理，获得硬岩在不同围压下峰值强度的拟合曲线，岩样Hoke-Brown强度方程的表达形式是:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，01是轴向压力，03是围压，0。i是起裂强度，mi是常数；1.4、剩余的六组岩样分别进行不同围压，围压范围0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa或25MPa条件下的长期强度的测定，具体步骤是1.4.1、按顺序选择组，将某一围压03、步骤1.2测得的单轴强度Oc和常数mi代入Hoke-Brown强度方程，得到该围压下的峰值强度估计值A，1.4.2、用ocd替代o。代入Hoke-Brown强度方程获得该围压下的损伤强度估计值B，1.4.3、将B和A之间的差值分为6个等级，每相邻两个等级之间的差值相等，得到对应于该组6块岩样准备施加的轴向压力，1.4.4、每块岩样在试验过程中保持围压和轴向压力不变直到岩样出现宏观破坏，记录6块岩样从加压开始直到破坏所持续的时间，从而获得该组该围压条件下的长期强度。所述起裂强度o。i和损伤强度o。d采用无量纲化的表达形式，即表达为单轴强度0。的倍数关系。本发明的有益效果是本发明采用室内试验的方法测得硬岩强度的时间效应，即不同围压和轴向压力条件下，试样保持荷载水平不变到达破坏所经历的时间。本测定方法不需要依赖于昂贵的围压条件下声发射测定设备(ASC公司的AcousticEnergy成套产品)，在常规的MTS(MTSsystem公司的电液伺服岩石试验系统)上即可完成，减少了设备的投入，节省了人力物力，具有较强的经济效益和社会效益。图1是本发明声发射探头安装在岩样上的立面布置图。图2是本发明声发射探头安装在岩样上的剖面图。图3是本发明中单轴压縮-声发射试验确定启裂强度c。i和损伤强度0。d的曲线图。图4是本发明根据三轴压縮试验成果拟合的Hoek-Brown强度包络线。图5是本发明硬岩强度的时间效应曲线(围压5MPa)。具体实施例方式如图1、图2所示，本实施例准备了8组硬岩试样，每组试样包含6块岩样l，每块岩样尺寸①50mmX100mm。每块岩样上安装6个声发射探头2，上、下各一圈，每圈3个，呈等三角布置。(—)第一组试样第一组试样(6块岩样1)用于测定岩块的单轴强度o。、启裂强度o。i和损伤强度ocd，试验所采用的是常规的MTS设备和AcousticEnergy采集仪。试验过程中根据AE监测数据可以判断启裂强度o。i;根据轴向压力-轴向应变曲线的最大值可以确定岩样的单轴强度0。；根据体积应变曲线的拐点结合AE监测数据可以确定岩样的损伤强度o。d。图3是其中一块岩样的MTS数据、AE数据以及破坏后岩样的照片，图3同时表达了o。i禾Po。d的确定方法。6块岩样的单轴_声发射试验完成后可以获得单轴强度o。、启裂强度o。i和损伤强度0。d的平均值，本发明0。i和0。d采用无量纲化的表达形式，即表达为单轴强度的倍数关系。本例试验所测得的损伤强度0。d为单轴强度0。的0.8倍，S卩0。d二0.8o。，启裂强度o。i为单轴强度o。的0.4倍，S卩o。i=0.4o。；试验测得的试样平均单轴强度oc=120MPa。(二)第二组试样第二组试样在MTS上进行三轴压縮试验，试验的围压o3分别设定为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa，测定试样在不同围压下的峰值强度(轴向压力o》。表l是第二组试样的测定成果表1.<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>获得试验数据后，采用岩块的Hoek-Brown强度包络线方程对试验数据进行整理，获得岩样的Hoek-Brown常数。岩样Hoke-Brown强度方程的表达形式是A=+,」卵'2+1，因此只需根据试验成果拟合Hoek-Brown方程的iv对本例而言，拟合所得的mi为8.8。拟合的Hoke-Brown强度包络线和试验数据点如图4所示。(二)第三八组试样第三八组试样用于强度时间效应的测定，即根据前面的试验成果测定岩样在不同围压、不同轴向压力条件下出现宏观破坏所需要的时间。由于各围压条件下的试验操作流程基本相同，本例仅以第四组、围压5MPa的测试过程解释操作流程。首先将o3=5MPa和前面测得的o。=120MPa和nii=8.8代入Hoek-Brown强度方程，获得5MPa围压下峰值强度估计值A=145.3MPa;再将o3=5MPa，mi=8.8，用ocd(0.8oc)替代o。代入Hoek-Brown方程获得5MPa围压下的损伤强度估计值B=114.2MPa;将这两个估计值的差值(A-B)划分为6个等级，得出第四组每块岩样将施加的轴向压力114.2MPa、120.4MPa、126.6MPa、132.9MPa、139.lMPa和145.3MPa，试验过程中保持围压和轴向压力不变直到岩样出现宏观破坏，记录6块岩样从加压开始直到破坏所持续的时间，最终可以获得如图5所示的硬岩强度时间效应曲线(也称为长期强度)。图5中的横坐标是小时，纵坐标是所施加的轴向压力(6个等级)和损伤强度的比值。权利要求一种硬岩强度时间效应的测定方法，其特征在于包括以下步骤1.1、准备8组硬岩试样，每组试样包含6块岩样(1)，每块岩样尺寸50mm×100mm；1.2、第一组岩样全部在MTS上进行单轴压缩试验，试验按应变加载并记录压缩过程中的应力-应变曲线；同时采用AE设备监测压缩过程中的微裂纹破裂事件，根据MTS和AE的数据确定岩块的起裂强度σci、损伤强度σcd以及单轴强度σc；1.3、第二组岩样进行常规三轴试验，试验所施加的围压分别为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20Mpa或25MPa，每种围压所对应的试验结果均采用Hoek-Brown强度包络线进行整理，获得硬岩在不同围压下峰值强度的拟合曲线，岩样Hoke-Brown强度方程的表达形式是<mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mi>ci</mi></msub><msqrt><mi>mi</mi><mfrac><msub><mi>σ</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>σ</mi><mi>ci</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>,</mo></mrow>式中，σ1是轴向压力，σ3是围压，σci是起裂强度，mi是常数；1.4、剩余的六组岩样分别进行不同围压，围压范围0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa或25MPa条件下的长期强度的测定，具体步骤是1.4.1、按顺序选择组，将某一围压σ3、步骤1.2测得的单轴强度σc和常数mi代入Hoke-Brown强度方程，得到该围压下的峰值强度估计值A，1.4.2、用σcd替代σc代入Hoke-Brown强度方程获得该围压下的损伤强度估计值B，1.4.3、将B和A之间的差值分为6个等级，每相邻两个等级之间的差值相等，得到对应于该组6块岩样准备施加的轴向压力，1.4.4、每块岩样在试验过程中保持围压和轴向压力不变直到岩样出现宏观破坏，记录6块岩样从加压开始直到破坏所持续的时间，从而获得该组该围压条件下的长期强度。2.根据权利要求1所述的硬岩强度时间效应的测定方法，其特征在于所述起裂强度0。i和损伤强度c。d采用无量纲化的表达形式，即表达为单轴强度c。的倍数关系。全文摘要本发明涉及一种硬岩强度时间效应的测定方法。本发明目的是提供一种在室内便能够测定硬岩强度时间效应的方法。解决该问题的技术方案是先准备8组试样，每组6块岩样；第一组岩样全部在MTS上进行单轴压缩试验，确定起裂强度、损伤强度和单轴强度；第二组岩样进行常规三轴试验，得到硬岩在不同围压下峰值强度的拟合曲线；剩余的六组岩样分别进行不同围压条件下的长期强度的测定。本发明适用于高应力破坏比较严重的水工、交通隧洞的设计和施工期优化。文档编号G01N3/08GK101718655SQ200910154329公开日2010年6月2日申请日期2009年11月27日优先权日2009年11月27日发明者刘宁,张春生,褚卫江申请人:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院