一种基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩石力学与工程领域，具体涉及一种岩石长期强度参数确定方法。
【背景技术】
[0002] 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，具有非常重要的 工程背景和意义。根据不同工程实际要求，对于岩石的长期强度的理解也有较大差别。现在 比较认可的一种岩石长期强度定义是岩石在长期恒定的外荷载作用下，发生流变现象；当 外荷载大于或等于某一定值时，岩石的流变变形会持续变大并最终发生破坏；当外荷载小 于某一定值时，岩石的流变变形速率会随时间的推移逐渐变小，流变变形也会慢慢趋于收 敛，岩石不会发生破裂；这个应力水平的临界值就可以称为岩石的长期强度。理论上，长期 强度是特定值，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， 常用一个区间或近似值来进行衡量。
[0003] 岩石的流变力学特性试验是确定岩石长期强度的主要手段之一。长期强度的研究 主要集中在岩石流变力学特性试验中岩石的应力状态，在简单应力状态下，可利用直接法、 初始蠕变法、扩容法等直接确定；而在复杂应力状态下，主要是依据流变试验结果，采用应 力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率拐点法进行确定，应力-应变等时曲线簇法和稳态 流变速率拐点法均是通过曲线直线段与曲线段的拐点来确定岩石的长期强度参数。这里的 曲线拐点指的是在岩石流变特性较为显著时，应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率拐 点法曲线的突变点或转折点。目前广泛采用的拐点法是任意取轴向、环向或体积流变速率 曲线中的任意一条进行突变点目测，因此较为随意不准确。此外，曲线初始的直线段和后期 的曲线段的转折点较为明显，但如果岩石流变特性不明显时，曲线拐点较为模糊，很难直接 目测得到，效果不佳。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于稳态流变速率 交点的岩石长期强度参数的确定方法，通过岩石轴向稳态流变速率曲线和体积稳态流变速 率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数。
[0005] 技术方案：本发明提供了一种基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方 法，取岩芯试样加工成标准圆柱形试样，对标准圆柱形试样进行三轴流变力学特性试验，通 过稳态流变阶段的轴向流变速率与体积流变速率拟合出两条稳态流变速率曲线，利用轴向 和体积流变速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数。
[0006] 当岩石处于低应力状态下，轴向稳态流变速率比体积稳态流变速率要大，岩石处 于压缩变形状态；当岩石处于较高的应力状态下，体积稳态流变速率急剧增加，超过轴向稳 态流变速率，较短时间内即可发生岩石破坏，岩石变形由压缩变形转化为体积扩容为主。故 轴向和体积稳态流变速率变化曲线存在一个交点，应力处于此交点之前，岩石不产生明显 的延性破坏；应力超过此交点，岩石表现出明显的体积扩容，并很快发生扩容破坏，故此交 点为岩石压缩变形与体积扩容的临界值，所对应的偏应力值即为该花岗片麻岩的长期强度 参数值。
[0007] 进一步，所述岩芯要求完好、无破损，加工时不破坏岩样原始的内部结构。
[0008] 进一步，所述三轴流变力学特性试验的围压取岩石在实际工程中所受的应力值， 采取分级加载的方法：在岩石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性 试验，得到瞬时峰值强度，流变试验的初始加载水平取瞬时试验峰值强度的55 %~65 %， 随后每级加载瞬时峰值强度的3%~5%，取整数值，每级加载不少于50小时，直至岩样发 生流变破坏。
[0009] 岩石的稳态流变阶段特性的基本特征可表现为稳态流变速率。将岩石流变各级加 载阶段进行初期衰减流变和稳态流变阶段的划分，对各加载等级的稳态流变阶段的流变速 率进行均值计算，得到稳态流变速率，其中，最后一级流变阶段还要剔除加速流变阶段的变 形数据来计算稳态流变速率。
[0010] 进一步，取轴向稳态流变速率和体积稳态流变速率作为研究对象，以各加载等级 的偏应力值为横坐标数据，稳态流变速率为纵坐标数据，在平面坐标系中利用指数函数分 别拟合所述两条稳态流变速率曲线，平面坐标系横轴为偏应力 3)/MPa，其中〇1/ MPa为流变试验的轴向压力，〇3/MPa为流变试验的围压，纵轴为稳态流变速率纟/1 (Plf1。
[0011] 有益效果：本发明将岩石流变力学特性试验成果计算得到的轴向稳态流变速率曲 线和体积稳态流变速率曲线进行比较，通过岩石压缩变形与体积扩容的临界值，即两条稳 态流变速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数，克服了传统的应力-应变等时 曲线簇法和稳态流变速率方法在流变特性不明显的岩样中拐点模糊的问题，对准确评价岩 石的长期稳定性问题具有参考价值。
【附图说明】
[0012] 图1为本实施例岩样的岩石流变力学特性试验曲线图；
[0013] 图2为本发明方法确定岩石长期强度参数示意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。
[0015] 实施例：本发明通过岩石试样的流变力学特性试验得到其流变力学特性试验曲线 和数据；对各级加载阶段的稳态流变速率计算，通过指数函数拟合出轴向和体积稳态流变 速率曲线；利用轴向和体积流变速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数。
[0016] 本实施例的具体实施步骤如下：
[0017] ①利用取芯钻具获取地下岩石洞库的花岗片麻岩岩芯试样，加工成高度为100mm、 直径为50mm的标准圆柱形试样，岩芯试样要求完好、无破损，加工时要求不破坏岩样原始 的内部结构。
[0018] ②将制备好的岩样放入岩石三轴流变试验仪上，取围压（〇3/MPa)为地下洞库 中岩石所受实际地应力值4MPa，采取分级加载的方法进行三轴流变力学特性试验。在岩 石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性试验，得到其峰值强度为 224. 50MPa;取流变试验的初始加载水平为瞬时强度的56%，取整后即为125.OOMPa;随后 每级加载瞬时峰值强度的5%，取整后即为10.OOMPa;如图1所示，图中ei为岩石的轴向 应变、e3为岩石的环向应变、ev为岩石的体积应变、t/h为岩石的流变时间参数；每级流 变时间为72小时，以保证岩样的变形趋于稳定，再进行下一级加载，直至第5级加载后，岩 样在流变35小时后发生加速流变现象，最终发生流变破坏。
[0019] ③通过三轴流变试验数据，将各加载等级的稳态流变阶段速率进行均值计算，得 到岩石各加载等级的稳态流变速率，取轴向和体积流变速率作为稳态流变速率的研究对 象，以各加载等级的偏应力值为横坐标数据，稳态流变速率为纵坐标数据，如图2所示，并 在平面坐标系中利用指数函数拟合出两条稳态流变速率曲线，图中平面坐标系横轴（X轴） 为偏应力（（(^一 〇 3)/MPa)，其中（〇1/MPa)为流变试验的轴向压力，（〇3/MPa)为流变试 验的围压；纵轴（Y轴）为稳态流变速率)。
[0020] ④如图2所示，当岩石处于低应力状态下，轴向稳态流变速率（曲线1)比体积稳 态流变速率（曲线2)要大，岩石处于压缩变形状态；当岩石处于较高的应力状态下，体积 稳态流变速率（曲线2)急剧增加，超过轴向稳态流变速率（曲线1)，较短时间内即可发 生岩石破坏，岩石变形由压缩变形转化为体积扩容为主。故轴向和体积稳态流变速率变 化曲线存在一个交点3。此交点为岩石压缩变形与体积扩容的临界值，所对应的偏应力值 153. 20MPa即为该花岗片麻岩的长期强度参数值。
【主权项】
1. 一种基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，其特征在于：取岩芯试 样加工成标准圆柱形试样，对标准圆柱形试样进行三轴流变力学特性试验，通过稳态流变 阶段的轴向流变速率与体积流变速率拟合出两条稳态流变速率曲线，利用轴向和体积流变 速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数。2. 根据权利要求1所述的基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，其特 征在于：所述岩芯要求完好、无破损，加工时不破坏岩样原始的内部结构。3. 根据权利要求1所述的基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，其特 征在于：所述三轴流变力学特性试验的围压取岩石在实际工程中所受的应力值，采取分级 加载的方法：在岩石流变力学特性试验前先对同批次试样进行三轴瞬时力学特性试验，得 到瞬时峰值强度，流变试验的初始加载水平取瞬时试验峰值强度的55%~65%，随后每级 加载瞬时峰值强度的3%~5%，取整数值，每级加载不少于50小时，直至岩样发生流变破 坏。4. 根据权利要求3所述的基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，其特 征在于：将岩石流变各级加载阶段进行初期衰减流变和稳态流变阶段的划分，对各加载等 级的稳态流变阶段的流变速率进行均值计算，得到稳态流变速率，其中，最后一级流变阶段 剔除加速流变阶段的变形数据来计算稳态流变速率。5. 根据权利要求1所述的基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，其特 征在于：在平面坐标系中利用指数函数分别拟合所述两条稳态流变速率曲线，平面坐标系 横轴为偏应力 3)/MPa，其中〇1/MPa为流变试验的轴向压力，〇3/MPa为流变试验 的围压，纵轴为稳态流变速率t: /10_V。
【专利摘要】本发明公开了一种基于稳态流变速率交点的岩石长期强度参数确定方法，取岩芯试样加工成标准圆柱形试样，对标准圆柱形试样进行三轴流变力学特性试验，通过稳态流变阶段的轴向流变速率与体积流变速率拟合出两条稳态流变速率曲线，利用轴向和体积流变速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数。本发明将岩石流变力学特性试验成果计算得到的轴向稳态流变速率曲线和体积稳态流变速率曲线进行比较，通过岩石压缩变形与体积扩容的临界值，即两条稳态流变速率曲线的交点来定量地确定岩石的长期强度参数，克服了传统的应力-应变等时曲线簇法和稳态流变速率方法在流变特性不明显的岩样中拐点模糊的问题，对准确评价岩石的长期稳定性问题具有参考价值。
【IPC分类】G01N3/00
【公开号】CN105021444
【申请号】CN201510369199
【发明人】刘琳, 徐卫亚, 王环玲, 王如宾, 王伟, 石崇
【申请人】河海大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月29日