多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国岩石工程建设规模的逐步扩大，其长期稳定和安全性问题愈发得以重 视，长期强度是岩石工程长期稳定和安全分析的重要方面。工程经验及监测资料表明，许多 岩石工程施工期并没有发生常规破坏，随着时间的推移，变形和应力呈现随时间的增长而 缓慢变化的现象，此现象对工程长期稳定性影响较大，可直接引起失稳和破坏。研宄时效作 用下岩石工程应力应变状态的变化规律，以及依据规律解决、预测工程长期稳定性等相关 问题均需提供准确的岩石长期强度，因此，提出一种便捷直观的长期强度确定方法显得至 关重要。
[0003] 长期强度的确定是岩石工程长期稳定性和安全分析的重要方面；理论上，长期强 度为特定值，但依据现存方法进行理论推导并通过试验结果对其准确确定还较为困难，因 此，常用一个区间或近似值进行衡量。
[0004] 已有长期强度的研宄主要集中在简单和复杂应力状态两个方面。简单应力状态 下，可利用直接法和体积扩容法等确定；崔西海和付志亮在文《岩石流变特性及长期强度的 试验研宄》（崔希海，付志亮.岩石流变特性及长期强度的试验研宄[J].岩石力学与工程学 报，2006, 25 (5) : 1021-1024.)中运用轴向稳定蠕变应力阀值，直接对岩石长期强度予以了 确定，但此方法所得岩石长期强度偏于保守，且应力荷载分级为人为预先设计，故所得长期 强度存在一定得主观性；李良权和徐卫亚等在文《基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评 价》（李良权，徐卫亚，王伟，等.基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价[J].工程力学， 2010,27(11) :127-136.)中运用岩石体积扩容法对长期强度予以了确定，主要为采用直观 观察体积应变曲线的转折点，认为其转折点对应的应力水平即为岩石长期强度，但此方法 由于个人观察实验曲线的不同，亦存在一定得人为主观性。
[0005]复杂应力状态下主要采用应力-应变等时曲线簇法进行确定；徐卫亚和王如宾等 在专利《地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法》（201410399007.5)中公开了利 用应力-应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速率确定岩石长期强度的方法；该专利中 所述方法仅考虑了岩石的轴向应变变化，未考虑环向和体积应变变化对岩石长期强度的影 响。鉴于大多数岩石破坏时均呈现显著的体积扩容和轴向压缩，故此两种方法仅考虑轴向 应变对长期强度予以确定存在一定得误差性；此外，应力-应变等时曲线法为以不同时间 为参数，得到一簇应力-应变等时曲线，当时间趋于无穷大时，所对应的应力水平即为长期 强度；但针对特定的岩石力学试验，时间为48h或者72h，离趋于无穷大存在一定得差距，故 此方法确定长期强度存在一定得局限性；而匀速稳态流变阶段流变速率法即通过指数函数 描述岩石试样的稳态蠕变速率，进而认为指数函数的拐点即为岩石的长期强度；鉴于指数 函数为光滑的曲线，拐点并不明确，直观对其拐点予以观察势必会引起一定得误差；且由于 三个方向流变速率曲线变化规律存在一定的差别，导致拐点并不相同，实际工程中采用哪 个方向的流变速率曲线拐点确定长期强度是个值得争议的话题。
[0006] 综上所述，现存判定长期强度的方法均具有一定得主观性。因此亟需提供一种新 的、定量的、适用范围广的、准确度高的岩石长期强度确定方法。
【发明内容】
[0007] 本发明为了解决上述问题，提出了一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石 长期强度的方法，本方法以岩石实际延性扩容变形为依据，综合考虑轴向、环向和体积稳态 流变速率，根据轴向、环向和体积稳定蠕变速率交点进行了客观判定，进而保证了求解的唯 一性和准确性。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法，包括以下步骤：
[0010] (1)岩石工程现场勘测采样，制作岩石试件；
[0011] (2)将试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，并调整轴向应变和环向应变测 量系统至初始值；
[0012] (3)按照应力荷载控制模式对试件进行多级应力分级加载蠕变力学试验，直至试 样被破坏，在此过程中，测量试验全程不同应力作用下轴向压缩应变和环向扩容应变随时 间的变化；
[0013] (4)根据试验全程轴向压缩应变和环向扩容应变数值，计算两者之和，即试件试验 全程体积应变随时间变化；
[0014] (5)绘制岩石蠕变曲线，判定每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳 态蠕变阶段，并计算轴向、环向和体积稳态蠕变速率；
[0015] (6)绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，确定其交 点，该交点对应的应力即为岩石的长期强度。
[0016] 所述步骤⑴中，岩石试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会（ISRM)推荐标准， 为50_X 100mm(直径X长度）的圆柱状试件或制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石 试件。
[0017] 所述步骤（1)中，岩石试件的制备方法为：首先采用岩石取芯机对原始岩块进行 钻孔取芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块；其次采用岩石切割机对长岩芯的端面进行切 割得到端面平整的圆柱形试样；最后采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，制备好 的圆柱形试样需采用砂纸研磨，进而保证上下端面平行，侧面光滑。
[0018] 所述步骤（3)中，具体方法为：多级应力分级加载蠕变力学试验在恒温恒湿条件 下进行，属单试样等围压、轴向偏应力分级加载的三轴蠕变力学试验；首先施加围压至应力 稳定；其次保持围压恒定，施加初始偏向轴应力^，保持恒定偏应力荷载，测量应力^作 用下轴向压缩应变h和环向扩容应变e 2随时间的变化，待变形稳定后进行下级应力加 载；进而施加第三级应力〇 3，以此类推直至试件发生蠕变破坏；得到试验全程不同应力〇 i 作用下轴向压缩应变^和环向扩容应变e 2随时间的变化。
[0019] 所述步骤（3)中，初始偏向轴应力0 i取岩石抗压强度的10% -25%，第二级应力 0 2取岩石抗压强度的35% -50%，第三级应力〇 3取岩石抗压强度的60% -75%。
[0020] 所述步骤（5)中，绘制岩石蠕变曲线，即恒定偏应力作用下，岩石变形随时间的变 化曲线；判定每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并计算轴向 矣、环向4和体积 <稳态蠕变速率。
[0021] 所述步骤（5)中，具体方法为，对稳定边界予以判别；首先确定不同轴向应力稳 态速率渐近值<，取单级应力不包含加速蠕变曲线段的末尾段变形速率；其次，设定蠕变 速率阀值;当蠕变速率|&-夂| 时，即认为此刻达到衰减蠕变和稳态蠕变的稳定边 界。
[0022] 所述步骤（5)中，蠕变阀值取屯,=1 ?() x丨0 V /7 〇
[0023] 一种岩石三轴流变力学试验仪器，包括恒定围压加载系统、恒定偏压加载系统、轴 向应变测量系统、环向应变测量系统、试样装置系统和数据传感系统，其中，恒定围压加载 系统用于试验过程中围压的施加并长期保持恒定，恒定偏压加载系统用于试验过程中偏压 的施加并长期保持恒定，恒定围压加载系统、恒定偏压加载系统均连接试样装置系统，轴向 应变测量系统用于准确测量试样的轴向应变、环向应变测量系统用于准确测量试样的环向 应变，两者均设置于试样系统外侧，试件装置系统用于安装试件并将其固定，数据传感系统 连接试件装置系统，用于采集并传输试验全程试件轴向和环向应变的变化。
[0024] 本发明的有益效果为：
[0025] (1)为准确确定岩石长期强度提供了一种新方法，基于岩石多级应力分级加载蠕 变力学试验，去除了用户的主观判断；
[0026] (2)以岩石实际延性扩容变形破坏为依据，根据轴向、环向和体积稳定蠕变速率交 点进行了客观判定，进而保证了求解的唯一性和准确性；
[0027] (3)该方法简单可靠，且准确度较高，易于推广应用于实际岩石工程。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的流程图；
[0029] 图2为本发明的所需的岩石三轴流变力学试验仪器；
[0030] 图3为本发明的典型岩石单级应力蠕变曲线；
[0031] 图4(a)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环 向和体积应变随时间变化的蠕变曲线；
[0032] 图4(b)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环 向和体积应变随时间变化的蠕变曲线；
[0033] 图4(c)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环 向和体积应变随时间变化的蠕变曲线；
[0034] 图5(a)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和 体积稳态流变速率与应力关系；
[0035] 图5(b)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和 体积稳态流变速率与应力关系；
[0036] 图5(c)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和 体积稳态流变速率与应力关系；
[0037] 图6为本发明碎肩岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和体积稳 态流变速率与应力关系。
[0038] 其中，1、恒定围压加载系统，2、恒定偏压加载系统，3、轴向应变测量系统，4、环向 应变测量系统，5、试样装置系统，6、数据传感系统。
【具体实施方式】：
[0039] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 如图1所示，一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法，依 次包括以下步骤：
[0041] 步骤S1:岩石工程现场勘测采样，制作圆柱形岩石试件；
[0042] 步骤S2 :将试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，并调整轴向应变和环向应 变测量系统至初始值；
[0043] 步骤S3:按照应力荷载控制模式对试