一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法和装置与流程

本发明涉及岩石强度估算，具体涉及一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法和装置。

背景技术：

1、岩石工程应用(例如隧道、采矿作业、石油和天然气开采以及地热能开采)经常面临地表下沉，塌陷等稳定性问题。这些问题都与岩石在复杂应力条件下的破坏有关。岩石在复杂应力作用下的强度可视为应力状态的函数，该函数常被称为强度准则。强度准则不仅可用于确定给定应力场下岩石的强度，还可用于确定破坏发生时塑性区的范围。因此，建立合适的强度准则对于岩石工程设计和相应的地球物理研究具有重要意义。

2、自国际岩石力学学会(isrm)成立以来，岩石强度准则一直是岩石力学和岩石工程领域最具挑战性的研究课题之一。迄今为止，世界各地的科学家和工程师已经提出了大量的理论和经验标准。mohr-coulomb(mc)准则是最早和最可靠的土和岩石理论准则之一。该理论准则最初由coulomb提出，后来由mohr改进，用于描述最大主应力与最小主应力之间的线性关系。hoekand brown受脆性断裂理论的启发，通过反复实验总结多个扭曲抛物线包络，提出了著名的hoek-brown(hb)准则，使力学原理得以应用于岩石工程结构的分析和设计。

3、尽管上述理论准则为使用力学模型确定岩石强度提供了必要的基础，但一些理论准则的预测结果往往与实验结果不一致。singh et al.基于132组岩石的三轴试验结果，在mc准则基础上增加修正项，提出了修正的非线性mohr-coulomb准则(mm-c准则)。上述成果为理解强度准则奠定了坚实的分析基础，为特定条件下岩石破坏提供了准确的强度预测。然而，由于岩石材料的离散性，目前没有在力学机理或数学形式上具有明显优势的破坏准则。因此，有必要建立一种新的破坏准则，为工程设计过程中岩石材料的破坏计算提供一种改进的、方便的方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明实施例的目的在于提供一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法和装置，其无需三轴试验数据即可进行岩石强度估算。

2、为解决上述问题，本发明实施例第一方面公开一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法，其包括以下步骤：

3、基于岩石破坏时偏应力(σ1-σ3)与围压σ3之间的非线性关系，发现σ1-σ3曲线的极限强度p与σ1-σ3曲线的差值随围压σ3的增加而非线性减小，考虑所述差值构成的差值曲线具有两个端点，则存在以下边界：

4、

5、其中，q为σ1-σ3曲线的极限强度p与偏应力(σ1-σ3)曲线的差值，显然，q＝p-(σ1-σ3)，即q＝p-σ1+σ3，σ1为不同围压下的最大主应力，σci为岩石的单轴抗压强度；σcrt为临界围压；

6、对于不同类型的岩石，q的下降趋势是不同的，为保证量纲的一致性，设q为σ3和σci的非线性函数：

7、

8、其中，a为经验参数；

9、由于q＝p-σ1+σ3，则结合公式(2)，存在：

10、

11、将公式(3)转化为：

12、

13、所述公式(4)为构建的第一岩石三轴强度准则，在获取岩石的极限强度p、岩石的单轴抗压强度σci以及围压σ3时，则通过公式(4)预测不同围压下的最大主应力σ1，所述岩石的单轴抗压强度σci以及围压σ3可通过岩石三轴试验获取。

14、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述方法，还包括：

15、通过相关系数r2和平均绝对相对误差百分比aarep来评价所述第一岩石三轴强度准则的预测性能：

16、

17、其中，σ1i，mea和σ1i，pre分别为第i个不同围压下的最大主应力实测值和第i个通过第一岩石三轴强度准则预测的不同围压下的最大主应力预测值；n为数据数目，为最大主应力的测量平均值，且：

18、

19、当相关系数r2大于第一预设阈值，或/和，当平均绝对相对误差百分比aarep小于第二预设阈值时，所述第一岩石三轴强度准则的预测精度满足需求。

20、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，在无法进行岩石三轴试验时，所述方法还包括：

21、基于历史数据确定经验参数与岩石的单轴抗压强度σci之间的第一关系，以及岩石的极限强度p与岩石的单轴抗压强度σci之间的第二关系；

22、基于所述第一关系和第二关系以及第一岩石三轴强度准则构建第二岩石三轴强度准则。

23、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，基于历史数据确定经验参数与岩石的单轴抗压强度σci之间的第一关系，以及岩石的极限强度p与岩石的单轴抗压强度σci之间的第二关系，包括：

24、通过收集常规三轴实验结果，编制了一个涵盖岩浆岩、变质岩和沉积岩的综合数据库；该综合数据库包括来自世界各地207种岩石的1642个三轴测试结果；基于综合数据库中的数据，通过数据拟合的方式建立a/σci与σci的函数关系，即第一关系：

25、σci＝2.55(a/σci)-0.778   (6)

26、同样，通过数据拟合的方式建立与σci的函数关系，即第二关系：

27、

28、基于所述第一关系和第二关系以及第一岩石三轴强度准则构建第二岩石三轴强度准则，包括：

29、结合公式6、7和以及第一岩石三轴强度准则即公式(4)构建第二岩石三轴强度准则：

30、

31、所述公式(8)为构建的第二岩石三轴强度准则，在获取岩石的单轴抗压强度σci时，即可通过公式(8)预测不同围压下的最大主应力σ1。

32、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述方法，还包括：

33、通过相关系数r2和平均绝对相对误差百分比aarep来评价所述第二岩石三轴强度准则的预测性能：

34、

35、其中，σ1i，mea和σ1i，pre分别为第i个不同围压下的最大主应力实测值和第i个通过第二岩石三轴强度准则预测的不同围压下的最大主应力预测值；n为数据数目，为最大主应力的测量平均值，且：

36、

37、当相关系数r2大于第一预设阈值，或/和，当平均绝对相对误差百分比aarep小于第二预设阈值时，所述第二岩石三轴强度准则的预测精度满足需求。

38、本发明实施例第二方面公开一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建装置，其包括：

39、边界确定单元，用于基于岩石破坏时偏应力(σ1-σ3)与围压σ3之间的非线性关系，发现σ1-σ3曲线的极限强度p与σ1-σ3曲线的差值随围压σ3的增加而非线性减小，考虑所述差值构成的差值曲线具有两个端点，则存在以下边界：

40、

41、其中，q为σ1-σ3曲线的极限强度p与偏应力(σ1-σ3)曲线的差值，显然，q＝p-(σ1-σ3)，即q＝p-σ1+σ3，σ1为不同围压下的最大主应力，σci为岩石的单轴抗压强度；σcrt为临界围压；

42、量纲一致单元，用于对于不同类型的岩石，q的下降趋势是不同的，为保证量纲的一致性，设q为σ3和σci的非线性函数：

43、

44、其中，a为经验参数；

45、由于q＝p-σ1+σ3，则结合公式(10)，存在：

46、

47、转化单元，用于将公式(11)转化为：

48、

49、所述公式(12)为构建的第一岩石三轴强度准则，在获取岩石的极限强度p、岩石的单轴抗压强度σci以及围压σ3时，则通过公式(12)预测不同围压下的最大主应力σ1，所述岩石的单轴抗压强度σci以及围压σ3可通过岩石三轴试验获取。

50、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第二方面中，所述装置，还包括第一预测性能评价单元，用于：

51、通过相关系数r2和平均绝对相对误差百分比aarep来评价所述第一岩石三轴强度准则的预测性能：

52、

53、其中，σ1i，mea和σ1i，pre分别为第i个不同围压下的最大主应力实测值和第i个通过第一岩石三轴强度准则预测的不同围压下的最大主应力预测值；n为数据数目，为最大主应力的测量平均值，且：

54、

55、当相关系数r2大于第一预设阈值，或/和，当平均绝对相对误差百分比aarep小于第二预设阈值时，所述第一岩石三轴强度准则的预测精度满足需求。

56、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第二方面中，在无法进行岩石三轴试验时，所述装置还包括简化单元，用于：

57、基于历史数据确定经验参数与岩石的单轴抗压强度σci之间的第一关系，以及岩石的极限强度p与岩石的单轴抗压强度σci之间的第二关系；

58、基于所述第一关系和第二关系以及第一岩石三轴强度准则构建第二岩石三轴强度准则。

59、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第二方面中，所述简化单元，包括：

60、第一关系拟合子单元，通过收集常规三轴实验结果，编制了一个涵盖岩浆岩、变质岩和沉积岩的综合数据库；该综合数据库包括来自世界各地207种岩石的1642个三轴测试结果；所述第一关系拟合子单元用于基于综合数据库中的数据，通过数据拟合的方式建立a/σci与σci的函数关系，即第一关系：

61、σci＝2.55(a/σci)-0.778   (14)

62、第二关系拟合子单元，用于基于综合数据库中的数据，通过数据拟合的方式建立p/与σci的函数关系，即第二关系：

63、

64、构建子单元，用于结合公式6、7和以及第一岩石三轴强度准则即公式(12)构建第二岩石三轴强度准则：

65、

66、所述公式(16)为构建的第二岩石三轴强度准则，在获取岩石的单轴抗压强度σci时，即可通过公式(16)预测不同围压下的最大主应力σ1。

67、作为一种优选的实施方式，在本发明实施例第二方面中，所述装置，还包括第二预测性能评价单元，用于：

68、通过相关系数r2和平均绝对相对误差百分比aarep来评价所述第二岩石三轴强度准则的预测性能：

69、

70、其中，σ1i，mea和σ1i，pre分别为第i个不同围压下的最大主应力实测值和第i个通过第二岩石三轴强度准则预测的不同围压下的最大主应力预测值；n为数据数目，为最大主应力的测量平均值，且：

71、

72、当相关系数r2大于第一预设阈值，或/和，当平均绝对相对误差百分比aarep小于第二预设阈值时，所述第二岩石三轴强度准则的预测精度满足需求。

73、本发明实施例第三方面公开一种电子设备，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行本发明实施例第一方面公开的一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法。

74、本发明实施例第四方面公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法。

75、本发明实施例第五方面公开一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法。

76、本发明实施例第六方面公开一种应用发布平台，所述应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种基于极限强度的岩石三轴强度准则构建方法。

77、与现有技术相比，其有益效果在于：

78、本发明实施例对现有岩石强度估算准则进行简化，为了验证所提出的准则，编制了一个数据库，其中包括在世界范围内对不同岩石进行的超过三轴试验。随后，将所建立的准则的预测性能与其他经典强度准则进行了比较，最后，建立了无需三轴试验数据即可进行岩石强度估算的简化准则。