本發明專利技術公開了一種多級應力分級加載蠕變力學試驗確定巖石長期強度的方法，包括以下步驟：現場采樣，制作巖芯試件；將試件安裝至巖石三軸流變力學試驗儀器內，并調整軸向應變和環向應變測量系統至初始值；按照應力荷載控制模式對試件進行多級應力分級加載蠕變力學試驗，直至試樣被破壞，在此過程中，測量試驗全程不同應力作用下軸向壓縮應變和環向擴容應變隨時間的變化；計算試件體積應變隨時間變化；繪制巖石蠕變曲線，判定每級應力荷載作用下蠕變曲線的衰減蠕變階段和穩態蠕變階段；計算每級應力荷載作用下穩態蠕變速率，繪制軸向、環向和體積穩態蠕變速率隨應力水平變化的關系曲線，確定其交點，該交點對應的應力即為巖石的長期強度。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種。
技術介紹
隨著我國巖石工程建設規模的逐步擴大，其長期穩定和安全性問題愈發得以重 視，長期強度是巖石工程長期穩定和安全分析的重要方面。工程經驗及監測資料表明，許多 巖石工程施工期并沒有發生常規破壞，隨著時間的推移，變形和應力呈現隨時間的增長而 緩慢變化的現象，此現象對工程長期穩定性影響較大，可直接引起失穩和破壞。研宄時效作 用下巖石工程應力應變狀態的變化規律，以及依據規律解決、預測工程長期穩定性等相關 問題均需提供準確的巖石長期強度，因此，提出一種便捷直觀的長期強度確定方法顯得至 關重要。 長期強度的確定是巖石工程長期穩定性和安全分析的重要方面；理論上，長期強 度為特定值，但依據現存方法進行理論推導并通過試驗結果對其準確確定還較為困難，因 此，常用一個區間或近似值進行衡量。 已有長期強度的研宄主要集中在簡單和復雜應力狀態兩個方面。簡單應力狀態 下，可利用直接法和體積擴容法等確定；崔西海和付志亮在文《巖石流變特性及長期強度的 試驗研宄》（崔希海，付志亮.巖石流變特性及長期強度的試驗研宄.巖石力學與工程學 報，2006, 25 (5) : 1021-1024.)中運用軸向穩定蠕變應力閥值，直接對巖石長期強度予以了 確定，但此方法所得巖石長期強度偏于保守，且應力荷載分級為人為預先設計，故所得長期 強度存在一定得主觀性；李良權和徐衛亞等在文《基于流變試驗的向家壩砂巖長期強度評 價》（李良權，徐衛亞，王偉，等.基于流變試驗的向家壩砂巖長期強度評價.工程力學， 2010,27(11) :127-136.)中運用巖石體積擴容法對長期強度予以了確定，主要為采用直觀 觀察體積應變曲線的轉折點，認為其轉折點對應的應力水平即為巖石長期強度，但此方法 由于個人觀察實驗曲線的不同，亦存在一定得人為主觀性。復雜應力狀態下主要采用應力-應變等時曲線簇法進行確定；徐衛亞和王如賓等 在專利《地下水封石油洞庫圍巖長期強度參數的確定方法》（201410399007.5)中公開了利 用應力-應變等時曲線或勻速穩態流變階段流變速率確定巖石長期強度的方法；該專利中 所述方法僅考慮了巖石的軸向應變變化，未考慮環向和體積應變變化對巖石長期強度的影 響。鑒于大多數巖石破壞時均呈現顯著的體積擴容和軸向壓縮，故此兩種方法僅考慮軸向 應變對長期強度予以確定存在一定得誤差性；此外，應力-應變等時曲線法為以不同時間 為參數，得到一簇應力-應變等時曲線，當時間趨于無窮大時，所對應的應力水平即為長期 強度；但針對特定的巖石力學試驗，時間為48h或者72h，離趨于無窮大存在一定得差距，故 此方法確定長期強度存在一定得局限性；而勻速穩態流變階段流變速率法即通過指數函數 描述巖石試樣的穩態蠕變速率，進而認為指數函數的拐點即為巖石的長期強度；鑒于指數 函數為光滑的曲線，拐點并不明確，直觀對其拐點予以觀察勢必會引起一定得誤差；且由于 三個方向流變速率曲線變化規律存在一定的差別，導致拐點并不相同，實際工程中采用哪 個方向的流變速率曲線拐點確定長期強度是個值得爭議的話題。 綜上所述，現存判定長期強度的方法均具有一定得主觀性。因此亟需提供一種新 的、定量的、適用范圍廣的、準確度高的巖石長期強度確定方法。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述問題，提出了一種多級應力分級加載蠕變力學試驗確定巖石 長期強度的方法，本方法以巖石實際延性擴容變形為依據，綜合考慮軸向、環向和體積穩態 流變速率，根據軸向、環向和體積穩定蠕變速率交點進行了客觀判定，進而保證了求解的唯 一性和準確性。 為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案： 一種，包括以下步驟： (1)巖石工程現場勘測采樣，制作巖石試件； (2)將試件安裝至巖石三軸流變力學試驗儀器內，并調整軸向應變和環向應變測 量系統至初始值； (3)按照應力荷載控制模式對試件進行多級應力分級加載蠕變力學試驗，直至試 樣被破壞，在此過程中，測量試驗全程不同應力作用下軸向壓縮應變和環向擴容應變隨時 間的變化； (4)根據試驗全程軸向壓縮應變和環向擴容應變數值，計算兩者之和，即試件試驗 全程體積應變隨時間變化； (5)繪制巖石蠕變曲線，判定每級應力荷載作用下蠕變曲線的衰減蠕變階段和穩 態蠕變階段，并計算軸向、環向和體積穩態蠕變速率； (6)繪制軸向、環向和體積穩態蠕變速率隨應力水平變化的關系曲線，確定其交 點，該交點對應的應力即為巖石的長期強度。 所述步驟⑴中，巖石試件為圓柱形，尺寸符合際巖石力學學會（ISRM)推薦標準， 為50_X 100mm(直徑X長度）的圓柱狀試件或制備成高度與直徑比為2:1的圓柱形巖石 試件。 所述步驟（1)中，巖石試件的制備方法為：首先采用巖石取芯機對原始巖塊進行 鉆孔取芯，獲得圓柱狀端面不平整的長巖塊；其次采用巖石切割機對長巖芯的端面進行切 割得到端面平整的圓柱形試樣；最后采用巖石磨平機對圓柱形試樣端面進行磨平，制備好 的圓柱形試樣需采用砂紙研磨，進而保證上下端面平行，側面光滑。 所述步驟（3)中，具體方法為：多級應力分級加載蠕變力學試驗在恒溫恒濕條件 下進行，屬單試樣等圍壓、軸向偏應力分級加載的三軸蠕變力學試驗；首先施加圍壓至應力 穩定；其次保持圍壓恒定，施加初始偏向軸應力^，保持恒定偏應力荷載，測量應力^作 用下軸向壓縮應變h和環向擴容應變e 2隨時間的變化，待變形穩定后進行下級應力加 載；進而施加第三級應力〇 3，以此類推直至試件發生蠕變破壞；得到試驗全程不同應力〇 i 作用下軸向壓縮應變^和環向擴容應變e 2隨時間的變化。 所述步驟（3)中，初始偏向軸應力0 i取巖石抗壓強度的10% -25%，第二級應力 0 2取巖石抗壓強度的35% -50%，第三級應力〇 3取巖石抗壓強度的60% -75%。 所述步驟（5)中，繪制巖石蠕變曲線，即恒定偏應力作用下，巖石變形隨時間的變 化曲線；判定每級應力荷載作用下蠕變曲線的衰減蠕變階段和穩態蠕變階段，并計算軸向 矣、環向4和體積 <穩態蠕變速率。 所述步驟（5)中，具體方法為，對穩定邊界予以判別；首先確定不同軸向應力穩 態速率漸近值<，取單級應力不包含加速蠕變曲線段的末尾段變形速率；其次，設定蠕變 速率閥值;當蠕變速率|&-夂| 時，即認為此刻達到衰減蠕變和穩態蠕變的穩定邊 界。 所述步驟（5)中，蠕變閥值取屯,=1 ?() x丨0 V /7 〇 一種巖石三軸流變力學試驗儀器，包括恒定圍壓加載系統、恒定偏壓加載系統、軸 向應變測量系統、環向應變測量系統、試樣裝置系統和數據傳感系統，其中，恒定圍壓加載 系統用于試驗過程中圍壓的施加并長期保持恒定，恒定偏壓加載系統用于試驗過程中偏壓 的施加并長期保持恒定，恒定圍壓加載系統、恒定偏壓加載系統均連接試樣裝置系統，軸向 應變測量系統用于準確測量試樣的軸向應變、環向應變測量系統用于準確測量試樣的環向 應變，兩者均設置于試樣系統外側，試件裝置系統用于安裝試件并將其固定，數據傳感系統 連接試件裝置系統，用于采集并傳輸試驗全程試件軸向和環向應變的變化。 本專利技術的有益效果為： (1)為準確確定巖石長期強度提供了一種新方法，基于巖石多級應力分級加載蠕 變力學試驗，去除了用戶的主觀判斷； (2)以巖石本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種多級應力分級加載蠕變力學試驗確定巖石長期強度的方法，其特征是：包括以下步驟：(1)巖石工程現場勘測采樣，制作巖石試件；(2)將試件安裝至巖石三軸流變力學試驗儀器內，并調整軸向應變和環向應變測量系統至初始值；(3)按照應力荷載控制模式對試件進行多級應力分級加載蠕變力學試驗，直至試樣被破壞，在此過程中，測量試驗全程不同應力作用下軸向壓縮應變和環向擴容應變隨時間的變化；(4)根據試驗全程軸向壓縮應變和環向擴容應變數值，計算兩者之和，即試件試驗全程體積應變隨時間變化；(5)繪制巖石蠕變曲線，判定每級應力荷載作用下蠕變曲線的衰減蠕變階段和穩態蠕變階段，并計算軸向、環向和體積穩態蠕變速率；(6)繪制軸向、環向和體積穩態蠕變速率隨應力水平變化的關系曲線，確定其交點，該交點對應的應力即為巖石的長期強度。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：張玉，金培杰，王鑫，張曉東，楊文東，欒雅琳，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：山東;37
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