一种基于加载试验的岩石各向异性判断方法与流程

本发明涉及一种基于加载试验的岩石各向异性判断方法，属于水利水电、地下工程、高边坡工程等岩石工程领域。

背景技术：

岩体的各向异性特征对其力学参数与力学模型研究至关重要。如果是各向同性的，则大大简化了参数取值和力学模型的建立；如果是各向异性的，则其力学参数和力学模型则需按照各向异性特征进行分析，否则所建立的参数和模型不能反应其真实特性进而出现很大误差乃至错误。

表面有节理的岩体表现出比较明显的各向异性特征，但是对于完整的岩块，由于表面看不出明显的裂纹，无法判断其力学属性是否也具有各向异性特征。

因而，建立能够直观的考察岩块是否具有各向异性特征的方法具有非常重要的工程实践意义和科学价值。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中缺乏判断完整岩块各向异性特征的方法，本发明提供一种基于加载试验的岩石各向异性判断方法。

技术方案：本发明所述的一种基于加载试验的岩石各向异性判断方法，包括如下步骤：

(1)选取代表性的完整岩石样本，按不同角度切割后制成不同角度的岩样，测定岩样的几何和物理参数；

(2)将不同角度的岩样置于压力室中，先加载围压至设计值，然后加载轴向应力，直至岩样破坏，随加载时间变化记录试验过程中的偏应力-轴向应变数据；

(3)卸载岩样，重复步骤(2)进行下一级围压加载压缩试验；

(4)根据不同围压下的偏应力-轴向应变数据绘制不同围压作用下的偏应力-应变曲线图，根据该曲线图计算不同围压作用下的不同角度岩样的弹性模量，作出岩样弹性模量随角度变化的空间曲线图，据此判断岩石的各向异性情况。

上述步骤(1)中，选取岩石样本要求为：选取一块完整新鲜岩石，该岩石表面没有明显的纹理特征，且各不同角度的岩样均在同一块岩石上切割制成。

切割岩石样本时，将岩石样本沿着与水平面呈不同夹角切割，得到不同角度的岩样，切割时，每10～15°作为一个样本角度。其中，不同角度的岩样包括与水平面夹角为0～360°的岩样。

上述步骤(2)中，优选以0.005～0.05mpa/min的速率加载围压至设计值。更优的，以应变为0.002～0.02mm/min的速率加载轴向应力。

上述步骤(4)中，可将偏应力-应变曲线图根据曲线变化情况划分为岩样变形的各个阶段，选取其中的线弹性变形阶段，计算出不同围压作用下不同角度岩样的弹性模量。

作岩样弹性模量随角度变化的空间曲线图时，可先作出0～90°的岩样弹性模量随角度变化的曲线图，然后依据对称原则，做出0～360°的岩样弹性模型随角度变化的空间曲线图。

作出岩样弹性模量随角度变化的空间曲线图后，根据下述原则判断岩石的各向异性情况：某一围压下，如果岩样的弹性模量随角度变化的空间曲线图凹凸性大，即空间曲线图中不同角度的弹性模量值用光滑曲线相连呈“m”形状或者“w”形状，说明该围压下岩石的各向异性明显；如果岩样的弹性模量随角度变化的空间曲线图接近于圆，说明该围压下岩石属性接近于各向同性。

除根据弹性模量变化来判断岩石各向异性外，也可根据峰值强度变化来判断各向异性，具体的，步骤(4)中，根据不同围压下的偏应力-轴向应变数据绘制不同围压作用下的偏应力-应变曲线图，根据该曲线图计算不同围压作用下的不同角度岩样的峰值强度，作出岩样峰值强度随角度变化的空间曲线图，据此判断岩石的各向异性情况。确定各向异性或各向同性的判断原则与根据弹性模量变化判断的原则相同。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法借助于岩石三轴压缩试验测试系统，通过加载试验获得偏应力-应变曲线，将偏应力-应变曲线计算得到的弹性模量与角度变化关系结合起来判断完整岩块的各向异性；此方法可以直观快捷的确定出完整岩块是否具有各向异性特征，对岩体力学参数与模型的建立有极大的科学意义和应用价值。

附图说明

图1为实施例中围压为5mpa时不同角度岩样的三轴加载试验应力应变曲线；

图2为实施例中围压为5mpa时不同角度岩样弹性模量与角度关系空间图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种基于加载试验的岩石各向异性判断方法，包括下述步骤：

(1)选取代表性的完整岩石样本，按不同角度切割后制成不同角度的岩样，测定岩样的几何和物理参数；

选取岩石样本要求为：选取一块完整新鲜岩石，该岩石表面没有明显的纹理特征，以防原有裂纹造成的各向异性；且各不同角度的岩样均在同一块岩石上切割制成。

切割岩石样本时，将岩石样本沿着与水平面呈不同夹角切割，得到不同角度的岩样，切割时，每10～15°作为一个样本角度。其中，不同角度的岩样包括与水平面夹角为0～360°的岩样。

(2)将不同角度的岩样置于压力室中，先加载围压至设计值，然后加载轴向应力，直至岩样破坏，随加载时间变化记录试验过程中的偏应力-轴向应变数据；

其中，围压加载速率为0.005～0.05mpa/min；轴向应力加载时，以应变为0.002～0.02mm/min的速率进行。

(3)卸载岩样，重复步骤(2)进行下一级围压加载压缩试验；

(4)根据不同围压下的偏应力-轴向应变数据绘制不同围压作用下的偏应力-应变曲线图，根据该曲线图计算不同围压作用下的不同角度岩样的弹性模量，作出岩样弹性模量随角度变化的空间曲线图，据此判断岩石的各向异性情况。

具体的，可将偏应力-应变曲线图根据曲线变化情况划分为岩样变形的各个阶段，选取其中的线弹性变形阶段，计算出不同围压作用下不同角度岩样的弹性模量；然后据此作岩样弹性模量随角度变化的空间曲线图，作空间曲线图时，可先作出0～90°的岩样弹性模量随角度变化的曲线图，然后依据对称原则，做出0～360°的岩样弹性模型随角度变化的空间曲线图。

某一围压下，如果岩样的弹性模量随角度变化的空间曲线图凹凸性大，即空间曲线图中不同角度的弹性模量值用光滑曲线相连呈“m”形状或者“w”形状，说明该围压下岩石的各向异性明显；如果岩样的弹性模量随角度变化的空间曲线图接近于圆，说明该围压下岩石属性接近于各向同性。

除根据弹性模量变化来判断岩石的各向异性外，也可根据峰值强度变化来判断各向异性，采用步骤(4)中同样的方法绘制出不同围压作用下岩样峰值强度随角度变化的空间曲线图，据此确定岩石的各向异性情况，判断原则与根据弹性模量变化判断时相同，均是根据空间曲线图的凹凸性来判断。

实施例

以确定某处玄武岩岩石的各向异性情况为例，对本发明的基于加载试验的岩石各向异性判断方法进行说明。

步骤1，选取代表性的大块完整表面无裂纹的岩石作为切割样本；

步骤2，将岩石样本按不同角度进行切割，本实例按照与水平面成0°、30°、45°、60°、75°和90°进行切割。

步骤3，将不同角度岩石制备成直径50mm高度100mm的标准圆柱体岩芯试样，对岩样表面进行抛光打磨，以保证试验精度；

步骤4，测定制备岩样的几何和物理参数；

步骤5，将岩样平整套装于200mm长的高性能橡胶膜中，并水平地置于压力室刚性基座上，校平对正。在上下刚性压头位置用箍圈密封橡胶模，使岩样密封于刚性压头和橡胶模之中，防止液压油的渗透影响岩样力学性质；

步骤6，抬升基座至压力室密闭，开启围压油泵，以0.05mpa/min～的速率通过液压油施加静水压力至围压设计值，待围压施加完毕后静置5分钟待稳定；

步骤7，开启轴压油泵，以应变为0.02mm/min的速率施加轴向应力，直到岩样破坏。记录试验过程中每秒记录的偏应力应变数据；

步骤8，本实例选择的围压为5mpa，记录此围压下的不同角度岩样偏应力-应变值；

步骤9，根据获得的岩石三轴压缩偏应力-应变数据，绘制此围压作用下不同角度的偏应力-应变曲线图，如图1，根据曲线变化的线弹性变形阶段，计算围压作用下不同角度岩样的弹性模量，如下表1；

表1围压5mpa时不同角度岩样的弹性模量值

步骤10，做出弹性模量随切割角度变化的曲线图，并依据对称原则，做出弹性模型随角度变化的空间曲线图，如图2，可以看到，弹性模量随角度变化的空间曲线图的凹凸性大，成“m”形状，说明岩块属性的各向异性明显。