一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法。

背景技术：

随着地下与隧道工程的深度不断增加，在复杂地质环境条件下所涉及的岩土力学问题也愈加复杂，这对岩石工程带来了前所未有的问题与挑战。当深部岩体的深度大于临界软化深度时，深部岩体在重力、构造应力、地下流动水以及工程扰动等条件相互作用下，岩体将表现为复杂的软岩变形特性。由于软岩受到地应力、围岩卸载、渗流以及构造应力的影响，软岩表现出来的软弱、破碎、松散、膨胀、流变与强风化等不良性质导致工程问题日益增多，诸如深部煤矿隧道围岩的大变形、大型岩体边坡沿软弱结构面的失稳与隧道结构支护困难等，同时实际工程也越来越注重岩土工程长期的稳定性和安全性，这便涉及到岩体的长期强度问题。

当工程中岩体所受的外界荷载水平达到或高于某一应力限值时就会出现稳态蠕变或加速蠕变现象，该应力限值是岩石发生稳定蠕变与非稳定蠕变的临界值，该临界限值就是岩石的长期强度。以此研究时效作用下岩体工程应力应变变化规律，为深部岩体工程开挖与支护的设计以及维护提供相应的科学依据，在丰富岩体力学理论和方法的同时，也能最大限度地避免工程事故的发生。

目前对于长期强度研究的确定方法，主要可以归纳为两种：间接法和直接法。间接法确定岩石长期强度是根据岩石破坏过程中表现出来的物理力学现象来判定，通过观察到的物理力学现象，分析找到岩石受外荷载时强度是如何变化的，发展到不同的阶段是否出现对应的临界值或有力的判据。

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；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)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，应力-应变等时曲线簇法和利用应力-应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速率确定法仅考虑轴向应变，对长期强度予以确定存在一定误差。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问题。

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。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法，是以岩石实际延性扩容变形为依据，综合考虑岩石蠕变过程中轴向变形与径向变形对岩石性能影响，计算轴向变形能力与径向变形之间的比值泊松比，将泊松比看做随时间与应力的变化量，根据蠕变泊松比-时间曲线拐点数据开始发散点岁对应的应力来确定岩石长期强度，更能反映岩石的本质，保证了所求长期强度可以更好地反映岩石时效性。

为了实现上述目的，一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法，包括以下步骤：

步骤1：将现场简单切割后的岩样用切割机进行修整，使其可以安放在取芯机上；

步骤2：用取芯机采用水钻法对岩样取芯，加工精度严格按照《岩石试验方法标准》(GB50218-94)进行，使其芯的形状为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm，使用切割机切割圆柱的两个端面并进行打磨，制成最终试件待用；其中，在试件的轴向长度方向上，直径误差不超出直径阈值，试件两端面的不平行度最大不超过平行度阈值，使试件两端面垂直于试件轴线，且最大偏差不超过偏差阈值；

步骤3：将试件固定在试验台后放到最终进行试验的三轴压力室里，为试件安装轴径向位移传感器，并将轴径向应变值调整至试验规程要求范围内，具体步骤如下：

步骤3.1测量试件的尺寸和质量，将测量结果输入测试系统；

步骤3.2：在试件两端面均匀涂抹凡士林，为试件套上耐油的热缩套管，将试件置于操作平台上，在试件的上端和下端分别放置力传感器并对齐，用热吹风烘吹套管，使套管紧贴试件，同时利用细铁丝箍套管与铁块连接处；

步骤3.3：将量程为5mm的LVDT轴向位移传感器和量程为5mm的链式横向位移传感器安装到试件上，使横向位移传感器与试件底面保持水平，轴向位移传感器的接触点对称且水平；

步骤3.4：连接好传感器与测取应变设备的插头，调整传感器，将轴向和径向应变值调整至试验规程要求范围内，将调试好的试件置于伺服试验机承压板中心；

步骤4：设定位移上限值，采用位移控制方式对试件施加轴径向荷载，直至试件破坏，具体步骤如下：

步骤4.1：取三轴压缩试验表中平均抗压强度区间内的抗压强度，选定围压，采用位移控制方式对试样施加第一级轴径向荷载，进行三轴常规压缩试验；

步骤4.2：若在一定的荷载持续时间内，测得试件的轴向变形量不大于变形阈值，则认为变形基本稳定，记录此荷载作用下的轴径向应变和轴径向应变与轴压应力水平变化数据；所述荷载持续时间依照时间实际应变变形情况予以确定；

步骤4.3：判断试件是否发生失稳破坏，若是，则执行步骤5，若否，则增加轴压应力水平，并根据加载条件进行调整，返回步骤4.2，对试样施加下一级轴径向荷载；

步骤5：由试验机自动采集试验数据，换算成对应的应变与应力，输出到数据采集系统；

步骤6：绘制试件轴径向蠕变全过程曲线，具体步骤如下：

步骤6.1：利用基于肖维勒准则剔除线性拟合中实验数据异常值的方法，通过Origin软件对三轴蠕变试验数据在保证有效性的基础上进行异常值剔除；

步骤6.2：对上一级荷载作用下的蠕变曲线进行非线性数据拟合，根据拟合方程求出上一级荷载结束时刻至当前级荷载结束时刻之间各时刻的变形量相对于上一级荷载结束时刻的变形量的增加值；

步骤6.3：用当前级荷载作用下试验变形量减去当前级荷载结束时刻的变形量的增加值，从而得到修正之后的当前级蠕变试验曲线；

步骤6.4：对后续各级荷载蠕变曲线逐一进行步骤6.2至步骤6.3，最终得到修正之后的各级荷载蠕变试验曲线；

步骤7：根据试验测得的轴径向蠕变变形量，经过计算各时刻的蠕变时，试件在压缩或者拉伸时横向应变值和轴向应变值的比值，即蠕变泊松比，得到试件蠕变泊松比随时间变化值；

步骤8：将蠕变时间分段，选取各个时刻下蠕变泊松比，绘制分级加载条件下蠕变泊松比随时间变化关系图，确定蠕变泊松比随时间变化曲线拐点开始发散点的所对应应力值，即为岩石长期强度。

所述步骤2中直径阈值为0.3mm，平行度阈值为0.05mm，偏差阈值为0.25°。

所述步骤4.1中抗压强度区间为40％～80％。

所述步骤4.2中变形阈值为0.001mm。

所述步骤6.2中的拟合方程如下式所示：

其中，E1、E2为弹性模量，η1为黏滞性系数，σ为应力，ε为应变，t为时间。

本发明的有益效果：

本发明提出一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法，是以岩石实际延性扩容变形为依据，综合考虑岩石蠕变过程中轴向变形与径向变形对岩石性能影响，计算轴向变形能力与径向变形之间的比值泊松比，将岩石的泊松比μ假定为一个非定值，岩石作为一种复杂的黏弹塑性材料，在外荷载作用下，伴随岩石内部结构的不断弱化与重组，岩石的基本物理力学性质也在不断地发生变化，因此分析泊松比与应力状态以及时间的关系，将泊松比看做随时间与应力的变化量更能反映岩石的本质属性。将蠕变时间分为若干段，选取相应状态下蠕变泊松比，绘制蠕变泊松比随时间变化关系图；根据上述曲线拐点数据开始发散点随对应的应力来确定岩石长期强度，保证了所求长期强度可以更好地反映岩石时效性，基于岩石多级应力分级加载蠕变力学试验，去除了主观判断，简单可靠，准确度较高，易于推广应用于实际岩石工程。

附图说明

图1为本发明实施例的在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法流程图；

图2为本发明实施例的在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法中步骤3的流程图；

图3为本发明实施例的在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法中步骤4的流程图；

图4为本发明实施例的在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法中步骤6的流程图；

图5为本发明实施例的定围压分级加轴压蠕变试验蠕变曲线；

图6为本发明实施例的定围压分级加轴压蠕变试验蠕变泊松比曲线；

图7为本发明实施例的定围压分级加轴压蠕变试验得到的等时蠕变泊松比与应力关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰,下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

一种在岩石蠕变试验中确定长期强度的方法，流程如图1所示，具体方法如下所述：

步骤1：将现场简单切割后的岩样用切割机进行修整，使其可以安放在取芯机上。

步骤2：用取芯机采用水钻法对岩样取芯，加工精度严格按照《岩石试验方法标准》(GB50218-94)进行，使其芯的形状为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm，使用切割机切割圆柱的两个端面并进行打磨，制成最终试件待用；其中，在试件的轴向长度方向上，直径误差不超出直径阈值0.3mm，试件两端面的不平行度最大不超过平行度阈值0.05mm，使试件两端面垂直于试件轴线，且最大偏差不超过偏差阈值0.25°。

步骤3：将试件固定在试验台后放到最终进行试验的三轴压力室里，为试件安装轴径向位移传感器，并将轴径向应变值调整至试验规程要求范围内，流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤3.1测量试件的尺寸和质量，将测量结果输入测试系统。

步骤3.2：在试件两端面均匀涂抹凡士林，为试件套上耐油的热缩套管，将试件置于操作平台上，在试件的上端和下端分别放置力传感器并对齐，用热吹风烘吹套管，使套管紧贴试件，同时利用细铁丝箍套管与铁块连接处。

本实施例中，涂抹凡士林是为了减少刚性垫块与试件端面之间的摩擦力，最大限度地消除端部效应，令套管紧贴试件，同时利用细铁丝箍套管与铁块连接处，是为了确保密封性，避免在试验过程中试样进油以及试件破坏后岩石碎屑对油造成污染。

步骤3.3：将量程为5mm的LVDT轴向位移传感器和量程为5mm的链式横向位移传感器安装到试件上，使横向位移传感器与试件底面保持水平，轴向位移传感器的接触点对称且水平。

步骤3.4：连接好传感器与测取应变设备的插头，调整传感器，将轴向和径向应变值调整至试验规程要求范围内，将调试好的试件置于伺服试验机承压板中心。

步骤4：设定位移上限值，采用位移控制方式对试件施加轴径向荷载，直至试件破坏，流程如图3所示，具体步骤如下：

步骤4.1：取三轴压缩试验表中平均抗压强度区间40％～80％内不同的抗压强度，选定围压σ3为10MPa，采用位移控制方式对试样施加第一级轴径向荷载40MPa，进行三轴常规压缩试验。

步骤4.2：若在一定的荷载持续时间t内，测得试件的轴向变形量不大于变形阈值0.001mm，则认为变形基本稳定，记录此荷载作用下的轴径向应变ε1和轴径向应变ε1与轴压应力水平σ1变化数据。所述荷载持续时间t依照时间实际应变变形情况予以确定。

步骤4.3：判断试件是否发生失稳破坏，若是，则执行步骤5，若否，则增加轴压应力水平σ1，并根据加载条件进行调整，返回步骤4.2，对试样施加下一级轴径向荷载。

本实施例中，分别对试件施加50Mpa、60Mpa、70Mpa的轴径向荷载，其中，当对试件施加70Mpa的轴径向荷载时，试件发生失稳破坏。

步骤5：由试验机自动采集试验数据，换算成对应的应变与应力，输出到数据采集系统。

该试验机设备系统由加载部分、测试部分和控制部分三部分组成，具备轴压、围压和孔隙水压三套独立的闭环伺服控制功能，采集的测试数据客观可靠、精度高。本实施例选择单样分级加载方式进行蠕变试验，并采用相应的方法在一定程度上可以减小前期荷载的历史影响。

蠕变试验是指设定位移上限值，分级增轴压蠕变试验时采用荷载控制方式以500N/s的加载速率施加轴向荷载直至预定荷载，并设定荷载持续时间为25h，同理设定后一级荷载以及持续时间。三轴蠕变试验步骤与三轴常规试验步骤大致相当，仅加载方式稍有不同。

步骤6：绘制试件轴径向蠕变全过程曲线，流程如图4所示，具体步骤如下：

步骤6.1：利用基于肖维勒准则剔除线性拟合中实验数据异常值的方法，通过Origin软件对三轴蠕变试验数据在保证有效性的基础上进行异常值剔除。

步骤6.2：对上一级荷载作用下的蠕变曲线进行非线性数据拟合，根据拟合方程求出上一级荷载结束时刻t1至当前级荷载σ0+Δσ结束时刻t2之间各时刻的变形量相对于上一级荷载结束时刻t1的变形量ε1的增加值Δε(t)。

拟合方程如公式(1)所示：

其中，E1、E2为弹性模量，η1为黏滞性系数，σ为应力，ε为应变，t为时间。

步骤6.3：用当前级荷载作用下试验变形量减去当前级荷载结束时刻的变形量的增加值，从而得到修正之后的当前级蠕变试验曲线。

步骤6.4：对后续各级荷载蠕变曲线逐一进行步骤6.2至步骤6.3，最终得到修正之后的各级荷载蠕变试验曲线。

如图5所示，轴向变形特性表现为压缩破坏，围压10MPa条件下试样共经历了4级荷载，分别为40MPa、50MPa、60MPa和70MPa，40MPa轴向应力作用下，试件的瞬时应变为0.0768％，占总应变的94.2％，50MPa轴向应力作用下，试件的瞬时应变占总应变的95.4％，70MPa轴向应力作用下，试件出现加速蠕变阶段，瞬时应变值为0.2232％，占总应变的80.4％，瞬时应变的增大不仅与荷载应力水平有关，而且受到前期加载载历史的影响。

步骤7：根据试验测得的轴径向蠕变变形量，经过计算各时刻的蠕变泊松比，试件在压缩或者拉伸时横向应变值和轴向应变值的比值，即蠕变泊松比，得到试件蠕变泊松比随时间变化值。

蠕变泊松比的计算公式如式(2)所示：

其中，μ为蠕变泊松比，εx为横向应变值，εy为轴向应变值。

步骤8：将蠕变时间分段，选取各个时刻下蠕变泊松比，绘制分级加载条件下蠕变泊松比随时间变化关系图，确定蠕变泊松比随时间变化曲线拐点开始发散点的所对应应力值，即为岩石长期强度。

本实施例中，在围压为10MPa、分级轴压40MPa、50MPa、60MPa、70MPa作用，取t＝0.5h、2h、8h、16h、24h、32h、40h、48h，以及其在每组轴压作用下较为特殊的时间点，选取图2中各个时间下轴向和径向应变的数据，根据式(2)计算出蠕变泊松比值见表1所示，并绘制出蠕变泊松比与时间的关系，如图6所示。

表1σ3＝10MPa蠕变泊松比

如图7所示，对比轴径向等时应力曲线，可以发现径向曲线比轴向曲线更早进入非线性变化阶段，且各级应力水平下径向应变随时间的增加量大于轴向应变，这表明径向蠕变的应力阀值比轴向应力阀值低，径向蠕变特性较轴向蠕变更加敏感，而蠕变泊松比是综合轴径应变蠕变量，在外荷载作用下，伴随岩石内部结构的不断弱化与重组，岩石的基本物理力学性质也在不断地发生变化，因此分析泊松比与应力状态以及时间的关系，将泊松比看做随时间与应力的变化量更能反映岩石的本质属性，同样等时应力-蠕变泊松比曲线存在一个明显的转折点，此转折点与等时应力应变一样，将曲线分为线性段和非线性段两部分，在转折点之前岩石主要表现出粘弹性，转折点之后主要表现为粘塑性，岩石内部结构明显发生恶化，并逐步开始破坏，即可将其认定为衰减蠕变和稳定蠕变界限点。