一种基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点判别方法与流程

本发明涉及一种基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点判别方法。

背景技术：

加卸载响应比(load-unloadresponseratio，lurr)理论是一种研究岩石或岩体非线性破坏前兆和破坏预报的理论。目前，加卸载响应比理论已在地震、滑坡等非线性系统失稳预测中取得了一系列进展。对于岩石试样受压破坏问题，随着加载力的提高，当加载到后期阶段时(加载力大于60％峰值强度)，试样会由弹性变形阶段向裂隙发生和扩展阶段转化，当岩石试样内部损伤积累到一定程度后，岩石试样进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段。当岩石试样处于弹性变形阶段时，可逆性是弹性变形的基本特征，其加载段变形模量和卸载段变形模量相同，岩石试样进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段后，岩石试样的变形具有不可逆性，其加载段变形模量小于卸载时的变形模量，这种差异显示了岩石力学性质开始劣化的趋势，这种趋势会非常有规律的反映在岩石加卸载响应比的数值上，具体表现为随着加载力的提高，加卸载响应比会逐级上升增加，如何判断这种上升趋势的起点成为最关键的问题。本专利将岩石加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为加卸载响应比起变点。由于加卸载响应比的这一上升趋势发生在岩石破坏之前，因此可以用于岩石等非线性系统失稳的预测和失稳程度分级。

加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为加卸载响应比起变点，岩石达到裂隙不稳定发展直至破坏阶段后，岩石内部裂隙开始贯通，此时加卸载响应比开始出现逐级上升的现象。加卸载响应比起变点是裂隙不稳定发展阶段的起点，此时试样内部沿主应力方向的张开裂纹已逐渐贯通，岩样内部即将生宏观破裂面，预示着岩样的整体失稳。确定加卸载响应比起变点的判断方法可更准确的分析岩石在加卸载过程中损伤演化过程，同时也可对岩石的整体失稳做出预测。

技术实现要素：

本发明提出一种基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点判别方法。

一种基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点判别方法，将圆柱型岩石试样放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12kn/min的力控制加载速率进行单轴分级加卸载试验，获取岩石试样处于各级加卸载峰值点的加卸载响应比，根据岩石轴向应变和侧向应变之和确定其体积应变，通过岩石轴向应力-体积应变的拐点确定岩石损伤强度，加卸载响应比起变点对应的轴向应力为岩石的起变强度，岩石的起变强度和损伤强度相同。通过岩石轴向应力-体积应变拐点确定岩石的损伤强度，利用损伤强度确定加卸载响应比起变强度，然后加卸载响应比起变强度对应的本级加卸载点即为加卸载响应比起变点。

一种基于损伤强度的加卸载响应比起变点判别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据岩石力学单轴压缩试验规程，取1个圆柱形岩石试样安放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12kn/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，得到其应力应变曲线，以岩石试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc；

步骤2：重新取1个相同的圆柱型岩石试样，以相同的力控制加载速率对岩石进行单轴压缩分级加卸载试验，先加载至单轴抗压强度均值σc的4％,然后卸载到0，这样一次加卸载称为1级载荷；

步骤3：再次对步骤2中已经卸载到0的岩石试样加载至单轴抗压强度的8％，卸载至4％，作为第2级载荷；再加载至12％，卸载至8％，作为第3级荷载，以此类推，逐级加卸载直至岩石试样破坏，得到岩石试样分级加卸载条件下的轴向应变和侧向应变；

步骤4：以轴向荷载为输入，轴向应变为响应，建立加卸载响应比模型；以轴向荷载为输入，轴向应变为响应，建立加卸载响应比模型；在每个加卸载峰值点前后的加载段和卸载段的轴向应力上，从峰值点应力分别向下各取1mpa数据，分别拟合出加载段的斜率和卸载段的斜率；

步骤5：步骤4得加载段的斜率和卸载段的斜率，加卸载段响应率均为其斜率的倒数，各级加卸载响应比即为加载段和卸载段响应率的比值。

步骤6：分析步骤5中得到的加卸载响应比曲线，加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为起变点。试验中获得岩石的轴向应变和侧向应变，其体积应变可通过侧向应变和轴向应变之和确定，通过岩石的轴向应力-体积应变曲线的拐点确定其损伤强度。

步骤7：加卸载响应比起变点对应的轴向应力为岩石的起变强度，岩石的起变强度和损伤强度相同，通过步骤6中的损伤强度确定加卸载响应比起变强度，然后加卸载响应比起变强度对应的本级加卸载点即为加卸载响应比起变点。

所述圆柱型岩石试样的直径d取为48-52mm，高度l为直径长度的1.8～2.2倍。通过对岩石试样按照上述方法进行试验，提出基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点的判别方法。

有益效果

本发明提出了一种基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法，岩石轴向应力-体积应变曲线拐点处的强度为岩石的损伤强度。加卸载响应比起变点对应的轴向应力为岩石的起变强度，岩石的起变强度和损伤强度相同，首先通过岩石轴向应力-体积应变拐点确定岩石的损伤强度，通过损伤强度确定加卸载响应比起变强度，然后加卸载响应比起变强度对应的本级加卸载点即为加卸载响应比起变点。加卸载响应比出现逐级上升的起始点定义为加卸载响应比起变点，岩石达到裂隙不稳定发展直至破坏阶段后，岩石内部裂隙开始贯通，此时加卸载响应比开始出现逐级上升的现象。加卸载响应比起变点是裂隙不稳定发展阶段的起点，此时试样内部沿主应力方向的张开裂纹已逐渐贯通，岩样内部即将生宏观破裂面，预示着岩样的整体失稳。确定加卸载响应比起变点的判断方法可更准确的分析岩石在加卸载过程中损伤演化过程，同时也可对岩石的整体失稳做出预测。

岩石材料加卸载响应比通过其分级加卸载应力应变曲线得到，通过对岩石试样的单轴压缩分级加卸载试验，利用最小二乘拟合法计算得到各级加卸载峰值点的加卸载响应比，加卸载响应比起变点为岩石加卸载响应比出现逐级上升的起始点，根据加卸载响应比定义确定加卸载响应比起变点的方法为：利用公式δlurrι＝lurrι-lurrι-1(ι≥2)，式中δlurrι为第i级加卸载试验对应的加卸载响应比差值，lurrι为第i级加卸载响应比，lurrι-1为第i-1级加卸载响应比。考察岩石试样60％峰值强度之后对应的δlurr值，若三个连续的δlurr值为正，即表明岩石加卸载响应比出现逐级上升现象，则确定这三个连续的δlurr中的第一个δlurr对应的前一级加卸载试验的峰值点为起变点，这种根据δlurr确定加卸载响应比起变点的方法称为差值法。对十种岩石进行单轴压缩分级加卸载试验发现，利用加卸载响应比差值法确定的加卸载响应比起变点与通过岩石损伤强度确定加卸载响应比起变点是一致的，根据差值法确定加卸载响应比起变点方法需要确定连续三个δlurr为正，基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法只需要检测岩石试样的轴向应力-体积应变曲线的拐点即可确定加卸载响应比起变点，可见基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法更加快捷准确，

附图说明

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为圆柱型试样立体示意图；

图3为岩石试样分级加卸载方案；

图4为加卸载响应比最小二乘拟合法示意图；

图5为根据最小二乘拟合法计算出的加卸载响应比随轴向应变的变化曲线；

图6根据轴向应力-体积应变曲线拐点确定岩石的加卸载响应比起变点；

图7根据损伤强度和差值法确定的起变强度关系图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

在mts815电液伺服材料试验机进行岩石单轴压缩分级加卸载试验，对岩石的加卸载响应比起变点进行判断。

如图1所示，一种基于损伤强度的岩石加卸载响应比起变点判别方法，具体过程如下：

(1)现场取样，将取得的岩块加工成圆柱型试样，直径d取为48-52mm，试样的长度l取直径的1.8～2.2倍，如图2所示。试验应按下列步骤进行：

(2)根据岩石力学单轴压缩试验规程，取1个圆柱形岩石试样安放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12kn/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，得到其应力应变曲线，以岩石试样的轴向应力的峰值作为其单轴抗压强度σc。

(3)重新取1个相同规格的圆柱型岩石试样，以相同的力控制加载速率对岩石进行分级加卸载试验，加卸载方案参见图3，首先加载至单轴抗压强度σc的4％，然后卸载到0，本次加载作为第1级载荷，然后再次加载至单轴抗压强度的8％，卸载至4％，作为第2级载荷；再加载至12％，卸载至8％，作为第3级荷载，以此类推，逐级加卸载直至岩石试样破坏，得到岩石试样的轴向应变和侧向应变。

(4)得到岩石试样的分级加卸载应力应变曲线后，在每个加卸载峰值点前后的加载段和卸载段的轴向应力上，从峰值点应力分别向下各取1mpa数据利用最小二乘拟合法算出加卸载响应比。具体操作为以各级加卸载峰值点为上限，在加载段和卸载段各取1mpa数据，根据最小二乘拟合法分别拟合出加载段的斜率和卸载段的斜率，加卸载段响应率均为其斜率的倒数，各级加卸载响应比即为加载段和卸载段响应率的比值。

(5)计算出岩石试样在各级加卸载点的加卸载响应比，得到加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，参见图5，同时通过轴向应变和侧向应变之和得到岩石的体积应变。

(6)如图6，做出岩石的轴向应力-体积应变曲线和岩石的轴向应力-轴线应变曲线，轴向应力-体积应变曲线拐点位置即为岩石的损伤强度，加卸载响应比起变强度和岩石的损伤强度相同，加卸载响应比起变强度对应的本级加卸载点即为加卸载响应比起变点。

实施例1：

以青砂岩为例，先计算岩石的体积应变，然后根据轴向应力-体积应变拐点确定损伤强度，再根据损伤强度判断青砂岩的加卸载响应比起变点，具体如下：

step1：将工程现场取回的岩块加工成直径为50mm，长度为100mm的圆柱形岩石试样，取1个相同规格的岩石试样在mts815电液伺服材料试验机进行单轴压缩试验，以加载速率为12kn/min的力控制加载方式加载，岩石试样的轴向应力的峰值为80.1mpa，故青砂岩试样的单轴抗压强度σc＝80.10mpa。

step2：根据step1中获得的单轴抗压强度σc的值，确定一级载荷为3.2mpa，二级、三级荷载为6.4mpa、9.6mpa，每级荷载比上一级荷载增加3.2mpa，这样逐级加卸载直至岩石试样发生破坏。

step3：取1个相同规格的岩石试样，命名为青砂岩k1，对青砂岩k1进行单轴压缩分级加卸载试验，以12kn/min的力控制加载速率加载至岩石试样破坏，加卸载方式如图3，首先加载至单轴抗压强度σc的4％，然后卸载到0，本次加载作为第1级载荷，然后再次加载至单轴抗压强度的8％，卸载至4％，作为第2级载荷；再加载至12％，卸载至8％，作为第3级荷载，以此类推，逐级加卸载直至岩石试样破坏，得到岩石试样的轴向应变和侧向应变。

step4：对step3中得到的轴向应力应变曲线分析确定每个加卸载峰值点的位置，在每个加卸载峰值点前后的加载段和卸载段的轴向应力上，从峰值点应力分别向下各取1mpa数据利用最小二乘拟合法算出加卸载响应比。具体操作为以各级加卸载峰值点为上限，在加载段和卸载段各取1mpa数据，根据最小二乘拟合法分别拟合出加载段的斜率和卸载段的斜率。

step5：step4中得到加载段和卸载段的斜率，各级加载段和卸载段的响应率即为加载段和卸载段斜率的倒数，各级加卸载峰值点的加卸载响应比由加载段的响应率和卸载段的响应率比值计算得到。

step6：根据损伤强度确定加卸载响应比起变点：分析step5中得到的加卸载响应比随轴向应变的变化曲线，定义加卸载响应比发生逐级上升现象的起始点为起变点。通过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石试样的轴向应力-体积应变曲线，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度，加卸载响应比起变点对应的轴向应力为岩石的起变强度，以体积应变为横轴，轴向应力为纵轴，青砂岩k1轴向应力-体积应变曲线拐点的坐标为(0.0029，66.66)，青砂岩k1的损伤强度为66.66mpa，岩石的起变强度和损伤强度相同，利用岩石损伤强度确定加卸载响应比起变强度，然后加卸载响应比起变强度对应的本级加卸载点即为加卸载响应比起变点。根据损伤强度确定的青砂岩k1的起变强度为66.66mpa，加卸载响应比起变点对应的加卸载级数为21。

表1损伤强度法和差值法确定的起变强度

此外，加卸载响应比起变点的定义为加卸载响应比出现逐级上升的起始点，根据定义确定起变点方法为：记相邻两级加卸载响应比的差值为δlurr，δlurrι＝lurrι-lurrι-1(ι≥2)，式中δlurrι为第i级加卸载试验对应的加卸载响应比差值，lurrι为第i级加卸载响应比，lurrι-1为第i-1级加卸载响应比。考察岩石试样60％峰值强度之后对应的δlurr值，若三个连续的δlurr值为正，即表明岩石加卸载响应比出现逐级上升现象，则确定这三个连续的δlurr中的第一个δlurr对应的前一级加卸载试验的峰值点为起变点，这种根据定义确定加卸载响应比起变点的方法为加卸载响应比差值法。根据损伤强度法和差值法计算了邵阳麻花岗岩、细花岗岩、黄锈石花岗岩、红砂岩、黑砂岩、青砂岩、灰岩、耒阳白大理岩、粗晶大理岩、广西白大理岩10种岩石材料的起变点和起变强度。如表2，列出了10种岩石材料的根据损伤强度和差值法确定的加卸载响应比起变强度，为验证基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法的准确性，每种岩石材料都取三个岩样按照上述方法进行试验。图7给出了十种岩石根据上述两种方法确定的加卸载响应比起变点拟合关系图，其中横轴p2为根据加卸载响应比差值法确定的加卸载响应比起变点，纵轴p1为根据损伤强度确定的加卸载响应比起变强度，两种方法确定的加卸载响应比起变强度拟合曲线函数为p1＝0.99p2+0.31，表明两种方法确定的起变强度是一致的，同时也说明用岩石的损伤强度确定岩石的加卸载响应比起变点是准确可行的。根据差值法确定加卸载响应比起变点方法需要确定连续三个δlurr为正，基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法只需要确定岩石试样的轴向应力-体积应变曲线的拐点即可确定加卸载响应比起变点，可见基于损伤强度的加卸载响应比起变点判断方法更加快捷准确。

表2十种岩石根据损伤强度和差值法确定的起变强度

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。