本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种岩石蠕变行为的测试方法。
背景技术
深部地下岩体一般处于深埋高温高压环境之中，高压应力场会导致岩体发生蠕变变形，高温温度场则会导致蠕变变形的加速，从而给工程建设和安全运营造成不利影响。特别是对于深部地下盐穴能源储库中的盐岩，由于储库埋深通常在地下1000米以下，甚至超出了2000米。2000米时的温度可达86℃，应力可达50mpa。盐岩蠕变变形对温度和应力极为敏感，应力增加或温度升高，均会导致盐岩变形加速。通过室内蠕变试验，能否获得反映储库现场盐岩在储库长期运营年限下的有效蠕变速率，直接决定了工程设计的合理性及运营的经济性。
通过室内试验，获得能反映工程现场实际蠕变状态的相对可靠的蠕变速率，则需要在室内开展加载测试时间非常长的蠕变试验，例如加载时间不低于2年，甚至更长(如10年)。之所以需要加载非常长的时间，是因为岩石在恒定荷载作用下，蠕变变形是在持续不断发展的，加载测试时间越短，实验室得到的蠕变速率越高，与工程现场实际蠕变速率相差越大。用短历时蠕变获得的高的蠕变速率设计的盐穴储库工程，不仅工程的实际可用年限缩短，同时工程建设需投入的经济成本越高，并且建成后的运营经济效益也越差。
事实上，盐穴储库工程从拟建到建设完成，包括勘探、设计和建设在内的整个周期，通常是4～5年周期。在如此段的周期内，获得拟建场址的样品，然后完成较长加载时间的蠕变试验后，再利用实验室得到的蠕变测试参数进行工程设计和建设，从实际情况上讲是行不通的。
开展蠕变试验，不是一台设备就能完成的，需要多台设备同步进行，并且一旦开始加载则不能停机，这不仅要求测试设备需有足够数量，还要求整个测试过程中设备不能出现故障或测试中断，否则会导致试验失败或测得的结果不可信。实时上，不仅难以确保用于测试的设备同时有多台，更难以确保设备在长期测试中难免因各种因素导致出现试验中断的现象。因此，为了避免上述实际难题，实验室通常开展加载时间为7天的蠕变，最长的蠕变很少超过1个月，测试技术也仅仅是单个样品仅加一级荷载的单级加载，或单个样品逐渐增加加载应力的多级加载。如论是单级加载，还是逐渐增加应力的多级加载，在如此短的蠕变试验时间内，获得的结果必然是高的蠕变速率，必然不是有效的蠕变速率。
综上，其问题在于：(1)工程建设对研究期限有明确要求，留给实验室用于获得最终结果的期限极为有限，甚至是严重不够。(2)需同时多台设备开展同步测试，对设备数量要求高，通常难以满足。(3)即使具有多台设备，同步开展试验过程中，任何一台设备出现故障或测试中断，都会导致试验失败。重新试验则会严重影响研究期限，并难以保障部不再次出现问题。(4)如果是长期测试，测试时间持续周期长，需耗费大量的人力和物力，实时上难以保障。(5)要求长期测试过程中的环境温度、湿度和加载应力均保持恒定不变，对实验室的条件要求极高，短时间周期或可勉强维持，长时间下难以确保。(6)短期的蠕变结果严重偏离实际，取的加载时间不同，获得的蠕变速率不同，结果不唯一，甚至是错误会造成误导。
技术实现要素：
针对工程建设对研究期限的要求及实验室测试的实际状态等面临的难题，本发明提出一种反映岩石长加载历时蠕变行为的测试方法，该方法采用提高测试温度，通过高应力下加载蠕变与高应力加载蠕变后的低应力下的损伤恢复蠕变相结合的试验测试技术，分别获得短历时下(例如7天～10天)的蠕变时间与速率的关系，实现了利用短期蠕变测试获得反映工程现场实际蠕变状态的有效蠕变速率。
为更好的理解本发明，先对本发明采用的三轴岩石力学测试系统进行简单描述。
三轴岩石力学测试系统主要由以下部分组成：加载框架及轴压控制系统，液压动力供给系统，三轴压力室，围压控制系统，孔隙压力控制系统，超声波测量系统，温控系统，计算机控制与数据采集处理系统。
一种反映岩石长加载历时蠕变行为的测试方法，具体为：
s1、将岩石试块5与加载在待测试岩石5上的上压头3和下压头7一起包裹上保护膜4，将包裹上保护膜4的岩石试块5与上压头3和下压头7一起安装在三轴压力室1的试验机底座9上的承载底座8上，调整上压头3使其与三轴压力室1的加载立柱2接触，下压头7与承载底座8接触，将三轴压力室1与试验机底座9相连；
s2、通过围压压力通道11向三轴压力室1内注满围压油后，通过围压压力通道11对安装在三轴压力室1中的岩石试块5施加静水压力至目标围压；
s3、使用加温电热带6对三轴压力室1的外壁加温，三轴压力室1将热量传递给围压油，再通过围压油将热量传递给岩石试块5，使岩石试块5达到预定温度，所述预定温度为100～150℃；
s4、通过加载立柱2对岩石试块5施加第一级偏应力，完成预定时间a下的蠕变实验，卸载对岩石试块5施加的偏应力，使得施加在岩石试块5上的偏应力值为第一级偏应力的值的10～25％，完成在预定时间a内的蠕变损伤恢复试验，其中，所述第一级偏应力等于16mpa，所述预定时间a为经验时间，所述预定时间a为3～5天；
s5、通过加载立柱2对岩石试块5施加第二级偏应力，完成预定时间b下的蠕变实验，卸载对岩石试块5施加的偏应力，使得施加在岩石试块5上的偏应力值为第二级偏应力的值的10～25％，完成在预定时间b内的蠕变损伤恢复试验，其中，所述第二级偏应力等于18mpa，所述预定时间b为经验时间，所述预定时间b为4～10天。
进一步地，s3所述岩石试块5达到预定温度为100～120℃。
进一步地，s3所述岩石试块5达到预定温度为100℃。
进一步地，s4所述卸载对岩石试块5施加的第一级偏应力后，施加在岩石试块5上的偏应力的值为第一级偏应力的10～20％，s5所述卸载对岩石试块5施加的第二级偏应力后，施加在岩石试块5上的偏应力的值为第二级偏应力的10～20％。
进一步地，s4所述卸载对岩石试块5施加的第一级偏应力后，施加在岩石试块5上的偏应力的值为第一级偏应力的12.5％，s5所述卸载对岩石试块5施加的第二级偏应力后，施加在岩石试块5上的偏应力的值为第二级偏应力的12.5％。
进一步地，第二级偏应力大于第一级偏应力。
进一步的，第二季偏应力比第一级偏应力大2mpa。
进一步地，s4所述预定时间a为3天。
进一步地，s5所述预定时间b为4天。
本发明的有益效果是：
实现了利用短期蠕变测试获得反映工程现场实际蠕变状态的有效蠕变速率，克服了现有测试必须通过超长期的蠕变加载试验才能实现的难题；
获得的蠕变速率为单一值，克服了现有测试技术因加载时间影响而取值多变的影响；
因测试时间短，可避免设备因长期连续运转可能出现意外中断而导致试验失败，从而影响研究周期的难题；
因测试时间短，更易确保测试过程中的整个环境和应力状态的恒定；
可大大节省研究所需的人力和物力；
将较高应力的蠕变与较高应力后的蠕变损伤恢复相结合后，用于共同确定蠕变有效蠕变速率的测试技术，填补了目前蠕变测试技术的空白。
附图说明
图1为三轴岩石力学测试系统结构示意图。
图2为正常蠕变下蠕变率与蠕变时间关系。
图3为温度100℃，围压20mpa下的加载蠕变及蠕变损伤恢复曲线。
其中，1-三轴压力室；2-加载立柱；3-上压头；4-保护膜；5-岩石试块；6-加温电热带；7-下压头；8-承载底座；9-试验机底座；10-测量控制传感器引线孔；11-围压压力通道；12-对中销安装孔；13-对中销。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
如图2所示，在温度为45℃、围压为20mpa、轴压为36mpa下的蠕变速率与时间关系示意图。图中7天速率是10天的1.29倍、20天的2.66倍、30天的4.12倍、60天的10.17倍；30天速率是60天的2.47倍、90天的3.77倍、200天的4.9倍、363天的5.8倍。可以看出，蠕变速率随时间增加逐渐降低，时间在200天后的蠕变速率才逐渐趋于相对稳定，并且蠕变速率随时间延长仍有缓慢下降趋势，300天的蠕变速率为1.27×10-3，510天的蠕变速率约为1.24×10-3。
采用如图1所述系统，在温度100℃，围压20mpa下对一个岩石试块，进行测试，具体步骤如下：
s1、将岩石试块5与加载在待测试岩石5上的上压头3和下压头7一起包裹上保护膜4，将包裹上保护膜4的岩石试块5与上压头3和下压头7一起安装在三轴压力室1的试验机底座9上的承载底座8上，调整上压头3使其与三轴压力室1的加载立柱2接触，下压头7与承载底座8接触，将三轴压力室1与试验机底座9相连；
s2、通过围压压力通道11向三轴压力室1内注满围压油后，通过围压压力通道11对安装在三轴压力室1中的岩石试块5施加静水压力至目标围压；
s3、使用加温电热带6对三轴压力室1的外壁加温，三轴压力室1将热量传递给围压油，再通过围压油将热量传递给岩石试块5，使岩石试块5达到100℃；
s4、通过加载立柱2对岩石试块5施加第一级偏应力16mpa，完成预定时间a下的蠕变实验，卸载对岩石试块5施加的偏应力14mpa，在偏应力值为2mpa的情况下完成在预定时间a内的蠕变损伤恢复试验其中，所述预定时间a为经验时间，所述预定时间a为3天；
s5、通过加载立柱2对岩石试块5施加第二级偏应力18mpa，完成预定时间b下的蠕变实验，卸载对岩石试块5施加的偏应力16mpa，在偏应力值为2mpa的情况下完成在预定时间b内的蠕变损伤恢复试验其中，所述预定时间b为经验时间，所述预定时间b为4天。
加载蠕变及蠕变损伤恢复曲线如图3所示。其中，①为轴向应力36mpa(即偏应力16mpa)下的蠕变速率，②为轴向应力36mpa下蠕变后，在轴向应力为34mpa(即偏应力14mpa)下进行蠕变恢复下的蠕变速率，③为轴向应力38mpa(即偏应力18mpa)下的蠕变速率，④为轴向应力38mpa下蠕变后，在轴向应力为36mpa(即偏应力16mpa)下进行蠕变恢复下的蠕变速率。上述卸载应力的增量为2mpa，为偏应力16mpa的12.5％。
对于图3中测试得到的①、②、③、④四个阶段蠕变及蠕变损伤恢复下的变形速率，按下式计算蠕变速率&，&＝[(①×20％)+(②×35％)+(③×10％)+(④×35％)]。
图3中测试①、②、③、④的平均稳态蠕变速率分别为1.31×10-3、8.75×10-4、2.79×10-3、1.24×10-3，据此按上述公式计算得到的稳态蠕变率为1.28×10-4。而图2中从210天开始后的平均稳态蠕变率为1.27×10-3，两个结果一致。
由上述结果可知，相同围压和偏应力下，正常温度和正常蠕变下(如图2)，达到稳态蠕变需长时间；而采用本发明的方案(如图3)，可以达到缩短蠕变时间，并获得有效的蠕变结果。