件进行多级应力分级加载蠕变力学试验，直 至试样破坏；并测量试验全程不同应力作用下轴向压缩应变e:和环向扩容应变e2随 时间的变化；
[0044] 步骤S4 :基于试验全程轴向压缩应变ei和环向扩容应变e2数值，计算试件试验 全程体积应变随时间变化，其中体积应变ev=ei+2e2;
[0045] 步骤S5: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4、环向 矣和体积4稳态蠕变速率；
[0046] 步骤S6 :在同一张图上分别绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化 的关系曲线；鉴于岩石环向体积扩容速率超过轴向压缩速率的临界点为加速扩容破坏的标 志，故图中轴向、环向及体积稳态速率变化曲线存在一个交点，该交点对应的应力即为岩石 的长期强度。
[0047] 以下通过2个实施例，对该发明专利予以具体说明；
[0048] 实施例一：
[0049] 以我国西部某水电站坝基砂岩为例，基于多级应力分级加载蠕变力学试验，利用 稳态速率交点确定岩石长期强度，进行以下操作：
[0050] (1)我国西部某水电站坝基岩石岩性主要为砂岩，现场勘测钻取岩芯的基础上，对 其进行加工，基于岩石力学学会（ISRM)推荐标准，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩 石试件，本例采用的岩石试件直径为50_，高为100mm;
[0051] (2)将标准试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，如图2所示，岩石三轴流 变力学试验仪器，包括恒定围压加载系统（1)、恒定偏压加载系统（2);轴向应变测量系统 (3)、环向应变测量系统（4)、试样装置系统（5)和数据传感系统（6);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；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；试件装置系统用于安装试件并将其固定；数据传感系统 用于采集并传输试验全程试件轴向和环向应变的变化，并调整轴向应变和环向应变测量系 统至初始值，初始值近似于0 ;
[0052] (3)采用岩石三轴流变力学试验按照应力荷载控制模式对试件进行三组多级应力 分级加载蠕变力学试验，所有试验均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；基于现场地应力勘测情况，三 组试验的围压分别取1. 0、1. 5和2. OMPa ;围压荷载的加载速率为0. 75MPa/min，直至稳定； 其次保持围压恒定，施加初始偏向轴应力〇 l.OMPa，并保持恒定偏应力48小时，测量应 力〇1作用下轴向压缩应变e 环向扩容应变e 2随时间的变化；待变形稳定后进行第二 级应力〇 2= 1. 75MPa应力加载；重复操作；进而施加第三级应力〇 3= 2. 5MPa ;以此类推 直至试件发生蠕变破坏，试验结束；得到试验全程不同应力^作用下轴向压缩应变e :和 环向扩容应变e 2随时间的变化，如图4所示；其中轴向偏应力加载速率为0. 375MPa/min ;
[0053] (4)如图4所示，基于试验全程轴向压缩应变e i和环向扩容应变e 2数值，计算 得到试件试验全程体积应变随时间变化，其中体积应变ev= e i+2e2，￡:为正值，e 2为 负值；
[0054] (5)基于如图4的不同应力〇 i作用下，轴向e i、环向e 2和体积e v应变随时间 的变化曲线，得到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 不同应力〇 i作用下轴向4、环向4和体积4稳态蠕变速率；
[0055] (6)基于计算得到的每级应力荷载作用下轴向么、环向4和体积4稳态蠕变速率， 在同一张图上分别绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，如图5 所示，其中偏应力荷载〇 横坐标，稳态速率6为纵坐标；图中轴向、环向及体积稳态速率 变化曲线存在一个交点（围压1. OMPa的A点；围压1. 5MPa的B点和围压2. OMPa的C点）， 该交点对应的偏应力即为岩石的长期强度，分别为2. 58MPa 3. 25MPa和4. 16MPa;
[0056] (7)并采用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)中公开的利用应力-应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速 率法对岩石长期强度予以确定；其中针对匀速稳态流变阶段流变速率法，对轴向、环向和体 积方向的稳态速率拐点均予以了判定，但拐点并不清晰，且三向流变速率曲线拐点亦不相 同，取三个拐点的平均值作为匀速稳态流变阶段流变速率法得到的长期强度；汇总结果如 表1所示。
[0057]表1
【主权项】
1. 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，其特征是；包括w 下步骤： (1) 岩石工程现场勘测采样，制作岩石试件； (2) 将试件安装至岩石=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； (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； (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； (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； (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。
2. 如权利要求1所述的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，其特征是；所述步骤（1)中，岩石试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会推荐标准，为 50mmX100mm(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。
3. 如权利要求1所述的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，其特征是；所述步骤（1)中，岩石试件的制备方法为；首先采用岩石取巧机对原始岩块 进行钻孔取巧，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巧的端面进 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。
4. 如权利要求1所述的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，其特征是；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=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0 1，保持恒定偏应力荷载，测量应力 曰1作用下轴向压缩应变e1和环向扩容应变e2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=级应力0 3,W此类推直至试件发生蠕变破坏；得到试验全程不同应 力作用下轴向压缩应变e1和环向扩容应变e2随时间的变化。
5. 如权利要求1所述的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，其特征是；所述步骤（3)中，初始偏向轴应力0 1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S级应力0 3取岩石抗压强度的60%-75%。
6. 如权利要求1所述的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，其特征是；所述步骤巧）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、环向旬和体积句稳态蠕变速率。
7. 如权利要求1所述的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，其特征是；所述步骤巧）中，具体方法为，对稳定边界予w判别；首先确定不同轴向应力 稳态速率渐近值马r，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d亩；当蠕变速率I在-為马，.时，即认为此刻达到衰减蠕变和稳态蠕变的稳定 边界。
8. 如权利要求7所述的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，其特征是；所述步骤巧）中，蠕变阀值取f心,,-l.()xl〇''/々。
9. 一种岩石=轴流变力学试验仪器，其特征是；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。
【专利摘要】本发明公开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，包括以下步骤：现场采样，制作岩芯试件；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；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；计算试件体积应变随时间变化；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；计算每级应力荷载作用下稳态蠕变速率，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。
【IPC分类】G01N3-00
【公开号】CN104849134
【申请号】CN201510272530
【发明人】张玉, 金培杰, 王鑫, 张晓东, 杨文东, 栾雅琳
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月26日