一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性参数分离的方法
【专利摘要】一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性参数分离的方法，将取样得到的岩体制成标准圆柱形试样；对圆柱形试样先施加静水压力状态，使试样初始围压加载至流变试验设计值σ3，保持围压不变；采用多级增量循环加卸载的加载方式进行岩石三轴流变试验直至试样破坏，记录每一级轴向偏应力水平下试样的变形特性，包括瞬时应变值ε1、加载稳定应变值ε2、卸载瞬时应变值ε3和卸载流变稳定值ε4；根据弹塑性理论，可以辨识得到试样的瞬时弹性应变值εme、瞬时塑性应变值εmp、粘弹性应变εce和粘塑性应变值εcp。采用该粘弹塑性参数分离方法，可以辨识得到岩石不同偏应力水平下的粘-弹-塑性流变特性，为深部地下工程高地应力条件下围岩体的加固问题提供相应的技术措施。
【专利说明】一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性参数分离的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种岩石弹塑特性分离的方法，特别是一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性分离的方法。
【背景技术】
[0002]大量工程实践表明，岩石工程的失稳破坏并不是瞬时发生的，而是随时间推移缓慢发展。岩体开挖卸荷后，岩体内部应力重新调整，变形亦随实践推移而发展，直至发生失稳破坏，即发生流变破坏现象，尤其是在软岩工程中，这种流变破坏现象更为常见。因此研究高应力条件下岩石的流变特性对岩石工程的变形和稳定控制具有重要意义。
[0003]目前获得岩石的流变特性，多是采用常规多级增量加载的试验方法得到岩石的加载流变曲线，采用常规元件组合模型或经验模型分析岩石流变力学特性，这类方法无法对岩石的粘弹塑性流变特性进行有效分离，相应的建立的流变模型也无法深入分析岩石流变变形过程中的粘弹塑性应变特性，无法准确反映试样的真实性质，应用到工程实践中具有较大的局限性。
[0004]为了更好描述岩石材料的流变特性，部分学者从Drucker公设和伊留申的经典粘弹塑性理论出发，建立了基于经典粘弹塑性理论的岩石流变模型。1993年N.D.Cristescu基于大量单轴与三轴增量加载流变试验提出了 Cristescu本构模型，首次将屈服面引入流变本构模型，随后大量学者在此基础上进行了改进。1998年，J.Jin和N.D.Cristescu将由真三轴加载流变试验确定的可渐进变化的单一屈服面和塑性势函数引入Cristescu本构模型中，建立了能反映岩盐第一阶段流变的弹粘塑性本构方程；2001年，E.Maranini和T.Yamaguchi在Cristescu模型的基础上引入粘塑性应变方向张量Ν( σ )来代替原公式中的塑性势函数，提出了新的流变率方程；2009年夏才初等在Cristescu模型中引入了围压卸荷的影响，建立了用于描述卸荷应力路径下大理岩三维弹粘塑性流变模型；但上述模型均是采用增量加载的试验方法得到流变试验结果并建立弹粘塑性流变本构模型，并未进行有效的弹粘塑性应变进行分离；2005年M.C.Weng等采用循环加卸载试验进行了纯剪应力路径下的三轴试验，并通过试验将岩样的弹塑性应变进行了分离；2008年L.S.Tsai等基于M.C.Weng等的试验结果对砂岩岩样的变形进行了弹塑性分离，但上述结果都是基于三轴剪切流变试验，同时也未考虑粘性应变的影响。
[0005]综上所述，采用循环加卸载进行岩石的三轴压缩流变试验，同时对试验结果进行有效的弹粘塑性应变分离，据此对岩石的弹-粘-塑特性进行分析并建立相应的粘-弹-塑性流变本构模型，目前研究较少，深入研究岩石流变过程中的粘-弹-塑性流变特性，仍为岩石力学特性研究尤其是流变力学特性研究的重要内容。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的是提出一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性参数分离的方法，为准确建立岩石粘弹塑性流变本构模型提供数据基础。[0007]技术方案:本发明提出了一种用于岩石三轴流变试验中粘-弹-塑性参数分离和辨识的方法，包括如下步骤:
[0008]a.首先对完整的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成圆柱体试样；
[0009]b.将制成的圆柱形试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，调整试验机压头，使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；
[0010]c.通过伺服试验机对圆柱形试样施加静水压力，使试样的围压加载至试验设定值σ 3，根据岩性的不同，可取O~40MPa，采用分级循环加卸载轴向偏应力的试验方法进行岩石三轴流变试验；
[0011]d.保持围压O 3不变，采用位移加载模式对岩石试样施加轴向荷载至设定值σ η，测定试样的瞬时应变值S1，保持试样轴向偏应力O11不变，观察试样在该应力水平下的流变现象，待试样在该应力水平下进入稳态流变阶段后，测定试样此时的应变值ε 2 ；
[0012]e.将试样卸载至静水压力状态，使试样进入卸载流变阶段，测定卸载后的瞬时应变ε3，持续卸载至试样变形稳定，测定卸载后的试样的稳定应变值ε4;根据弹塑性理论，岩石在三轴流变过程中的瞬时弹性应变值Sme、瞬时塑性应变值emp、粘弹性应变和粘塑性应变值可以由公式(I)~(4)计算得到；
[0013]eme= ε2-ε3(O
[0014]ece= ε3-￡4(2)
[0015]ε cp = ε 2_ ε 3_ ε 1+ ε 4 (3)
[0016]Emp= ε「ε 2+ ε 3 (4)
[0017]联立公式(I)~(4)得到
[0018]ε me+ ε ce+ ε mp+ ε cp = ε 2 (5)
[0019]从式(5)得，某一级偏应力水平下岩石流变过程中的总应变，即粘-弹-塑性应变之和，应与流变曲线上ε 2值相等；
[0020]所述的圆柱形试样尺寸符合国际标准；试验均采用位移加载模式，所述的加载速率为0.001~0.002mm/s ;所述的岩石流变试验采用分级循环加卸载按步骤(d)~(f)所述的试验方法进行岩石流变试验，加载时间为72h，卸载时间为24h。
[0021]有益效果:本发明适用于模拟深部岩石流变过程的岩石三轴流变试验，通过对岩石进行循环加卸载流变试验，获得岩石在流变试验过程中的四个时间点的应变值h、ε2、ε 3和ε 4，按照上述方法辨识得到岩石的粘弹塑性应变值，以此对岩石的粘弹塑性流变特性进行分析并进一步建立合适的粘弹塑性流变本构模型，并针对深部岩体的围岩变形控制以及稳定问题，提出相应的支护和加固措施，为深部高应力巷道围岩变形及稳定控制提供了一种新的途径。所获得的试验结果有助于更加深刻的认识岩石流变机理，建立更准确的流变本构模型。该方法操作简单，应用十分广泛。尤其适用于对岩体流变试验中的粘弹塑特性进行分离，为深入分析岩石流变特性、建立粘弹塑性流变本构模型打下基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的岩石加卸载流变曲线及参数示意图。
[0023]图2是本发明的流变试验参数辨识试验一曲线图。【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述:
[0025]实施例1:图1所示为本发明的岩石流变试验中加卸载流变曲线及参数示意图，首先对完整的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成圆柱体试样，试样尺寸符合国际标准；将制成的圆柱形试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，调整试验机压头，使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；采用位移加载模式，通过伺服试验机对圆柱形试样施加静水压力，使试样的初始围压σ31加载至试验设定值σ3，根据岩性的不同，可取O~40MPa，采用分级循环加卸载轴向偏应力的试验方法进行岩石三轴流变试验；保持围压σ 3不变，采用0.001~0.002mm/s的位移加载速率对岩石试样施加轴向荷载至设定值σ η,测定试样的瞬时应变值S1，保持试样轴向偏应力O11不变，观察试样在该应力水平下的流变现象，待试样在该应力水平下进入稳态流变阶段后，测定试样此时的应变值ε 2，加载时间为72h ；将试样卸载至静水压力状态，使试样进入卸载流变阶段，测定卸载后的瞬时应变ε 3，持续卸载至试样变形稳定，测定卸载后的试样的稳定应变值ε 4，卸载时间为24h，而后进入下一级应力水平σ 12的加卸载流变试验，直至试样发生破坏。根据弹塑性理论，岩石在三轴流变过程中的瞬时弹性应变值Sme、瞬时塑性应变值emp、粘弹性应变8。^和粘塑性应变值可以由公式:
[0026]eme= ε2-ε3(O
[0027]ece= ε3-￡4⑵
[0028]ε CP = ε 2_ ε 3_ ε I+ ε 4 (3)
[0029]emp= ε ?- ε 2+ ε 3(4)
[0030]联立公式(I)~(4)得到:
[0031]ε me+ ε ce+ 8 mp+ 8 cp = ￡ 2(5)
[0032]根据式(I)~(4)计算得到岩石在各级偏应力水平下的瞬时弹性应变值ε 、瞬时塑性应变值ε mp、粘弹性应变值ε ce以及粘塑性应变值ε cp0
[0033]图2所示为大理岩循环加卸载流变试验曲线。首先将Φ50Χ IOOmm大理岩圆柱形试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸，先使试验机压头与岩样上、下刚性加载端部紧密接触，然后向三轴密闭压力缸内注满液压油，直至完全充满，按照0.127MPa/s的加载速率对大理岩圆柱形试样施加静水压力，使圆柱形试样围压加载至流变试验设计围压o3=35MPa，保持围压o3=35MPa不变，按照位移加载速率为0.002mm/s对大理岩圆柱形试样施加轴向偏压(O1-O3)至流变试验设定值。H=IlOMPa,测定试样的瞬时应变值ει=2.99Χ10—3，保持试样轴压不变，观察试样在该应力水平下的流变现象，待试样在该应力水平下进入稳态流变阶段后，测定试样此时的应变值ε 2=3.93Χ10_3，加载时间为72h，将试样按照0.127MPa/s的卸载速率卸载至静水压力状态，此时试样进入卸载流变阶段，测定卸载后试样的瞬时应变ε 3=1.44Χ10_3，保持静水压力状态直至试`样变形稳定，测定此时试样的稳定应变值ε 4=1.28Χ10_3，卸载阶段持续时间为24h，而后进入下一级应力水平σ 12=120MPa的加卸载流变试验，直至试样发生破坏。获得的大理岩三轴循环加卸载流变试验曲线如图2所示。
[0034]在围压为σ 3=35MPa，轴向偏压为σ「σ 3=110MPa的试验条件下，根据式(I)~
(4)计算可得大理岩瞬时弹性应变值ε me=2.49X 10_3，粘弹性应变值ε ce=0.16X 10_3，粘塑性应变值Lp=0.78X10—3，瞬时塑性应变值emp=0.50X10—3。不同偏应力水平下，试样的粘-弹-塑性应变参数辨识结果如表1所示。
[0035]表1是本发明的流变试验参数辨识试验一的结果。
[0036]TableIVisco-elastic-plastic strain measured data
[0037]
【权利要求】
1.一种用于岩石三轴流变试验中粘弹塑特性参数分离的方法，其特征是:包括以下步骤: a.首先对完整的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成圆柱体试样； b.将制成的圆柱形试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，调整试验机压头，使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触； c.通过伺服试验机对圆柱形试样施加静水压力，使试样的围压σ3加载至试验设定值，采用分级循环加卸载的试验方法进行岩石三轴流变试验，具体包含以下步骤； d.保持围压σ3不变，采用位移加载模式对岩石试样施加轴向荷载至设定值O11，测定试样的瞬时应变值ε i，保持试样轴压不变，观察试样在该应力水平下的流变现象，待试样在该应力水平下进入稳态流变阶段后，测定试样此时的应变值ε 2 ； e.将试样卸载至静水压力状态，使试样进入卸载流变阶段，测定卸载后的瞬时应变ε 3，持续卸载至试样变形稳定，测定卸载后的试样的稳定应变值ε 4 ;根据弹塑性理论，岩石在三轴流变过程中的瞬时弹性应变值Sme、瞬时塑性应变值emp、粘弹性应变和粘塑性应变值ε cp由公式(I)~(4)计算得到； ε = ε Q- ε.(I) me2 3ν χ y ε ce=￡ 3- ￡ 4⑵
8 cp=8 2_ 8 3_ 8 1+ 8 4(3) ￡ mp=￡ I" ￡ 2+ ￡ 3⑷ 联立公式(I)~(4)得到 ε + ε + ε + ε = ε Q (5) me ce mp cpI 从式(5 )得，某一级偏应力水平下岩石流变过程中的总应变，即粘-弹-塑性应变之和，应与流变曲线上的￡2值相等； f.按照位移加载模式对试样重新加载至下一级应力σ12，对破裂后的试样进行下一级的加卸载流变试验，重复流变试验加卸载步骤直至试样破坏，同时采用公式(I)~(4)辨识得到相应轴向偏应力水平下的粘-弹-塑性应变值。
2.根据权利要求1所述的用于岩石三轴流变试验中粘-弹-塑性分离的方法，其特征在于:试验均采用位移加载模式，加载速率为0.001~0.002mm/s。
3.根据权利要求1所述的用于岩石三轴流变试验中粘-弹-塑性分离的方法，其特征在于:采用步骤(d)~(f)所述的分级循环加卸载的试验方法进行岩石流变试验，加载时间为72h，卸载时间为24h。
【文档编号】G01N3/28GK103822835SQ201410100767
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】杨圣奇, 徐鹏 申请人:中国矿业大学