一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测定方法

摘要

本发明所设计的一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测定方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测定方法，该测定方法采用有围压情况下轴向应力全过程循环加卸载试验来完成，主要用于解决深埋硬岩地下洞室围岩损伤区岩石力学参数的变化规律与取值的测定技术问题，能有效获得的开挖损伤区岩石力学参数的变化规律，并测得岩石力学参数在不同变化阶段的量值。

说明书

技术领域

本发明涉及深埋硬岩力学研究技术领域，具体地指一种深埋硬岩力学 参数变化规律与取值的测定方法。

技术背景

深埋硬岩地下洞室在开挖加卸载过程中，在围岩一定深度范围内易形 成开挖损伤区（excavation damaged zone，简称EDZ）。这种洞室 EDZ的形成是爆破开挖震动且耦合地应力的强烈释放的共同作用所导致 。在EDZ内部的岩体中，原生节理裂隙逐步扩展，新裂隙不断产生，导 致岩体力学行为发生明显变化，同时伴随着EDZ内部围岩承载能力随岩 体损伤的增加而降低。在这一过程中，EDZ内部的岩石力学参数如变形 参数和强度参数也相应发生改变，如何测定和评估岩石力学参数的这 一变化过程与规律，并获得相应的力学参数取值是目前尚未有效解决 的技术难题。另外，岩石力学参数的变化规律与取值对深埋硬岩地下 洞室围岩稳定性的评价工作具有重要意义，可以辅助进行深埋地下工 程优化设计。

实际上，硬岩在加卸载试验过程中，由于岩石内部裂纹的张开、扩展 、聚核或新裂缝的产生等会形成一定的不可恢复变形，即产生了塑性 变形。伴随着塑性变形的产生，岩石损伤逐渐增加，岩石的力学参数 逐步发生变化。这一过程可以通过岩石循环加卸载试验进行测定。在 岩石加卸载过程中形成的变形分为可恢复的弹性变形和不可恢复的塑 性变形，其中的弹性变形可以在卸载完成后恢复，而塑性变形由于不 可恢复，在多次的循环加卸载过程中会逐步累积。塑性变形的这一累 积过程可以通过在一个岩样上进行循环加卸载测试并记录下来。但如 何利用循环加卸载试验来获得深埋硬岩地下洞 室围岩损伤区岩石力学参数的变化规律与取值，是急需解决的关键技 术问题。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测 定方法，该方法利用循环加卸载试验来获得深埋硬岩地下洞室围岩损 伤区岩石力学参数的变化规律与取值，为提高深埋地下洞室稳定性和 支护设计优化提供了技术支撑。

为实现此目的，本发明所设计的深埋硬岩力学参数变化规律与取值的 测定方法，它包括如下步骤：

步骤1：在现场钻取深埋硬岩岩芯，并将硬岩岩芯加工成圆柱形岩样；

步骤2：对上述圆柱形岩样进行三轴加载测试，并设定三轴加载测试中 的围压预定值，从而获得圆柱形岩样在不同围压预定值时的峰值强度 ；

步骤301，将步骤1得到的圆柱形岩样安装在伺服控制岩石刚性试验机 上，在该圆柱形岩样上安装轴向位移传感器和环向位移传感器，并能 保证实时传输数据；

步骤302，控制伺服控制岩石刚性试验机，对圆柱形岩样进行轴向应力 全过程循环加卸载测试，测试中在到达岩样峰值强度之前，伺服控制 岩石刚性试验机的加载阶段按位移控制模式控制，卸载阶段采用轴向 应力控制，当圆柱形岩样的轴向应力大于等于圆柱形岩样峰值强度的 80~90%时，卸载阶段采用位移控制，加载阶段也采用位移控制；

步骤303，设定上述轴向应力全过程循环加卸载测试的循环次数和方式 ，其中轴向应力全过程循环加卸载试验的循环次数为15~20次，每次卸 载时，轴向偏应力卸载至0.1MPa，然后开始加载，确保试验过程的连 续性和完整性；

步骤304，施加围压至某一预定值，保持围压不变，对圆柱形岩样进行 轴向应力全过程循环加卸载测试，其中在圆柱形岩样峰前峰值强度的 30%、40%、50%、60%和70%各进行一次循环加卸载，峰值强度的80%、 85%、90%、95%和100%各进行一次循环加卸载， 圆柱形岩样峰值的峰后下降段进行4~6次循环加卸载，圆柱形岩样峰值 的峰后残余强度段进行3~4次循环加卸载，记录下围压、每个加卸载循 环最大轴向应力、轴向位移和侧向位移参数；

步骤401，根据弹性模量，泊松比，体积模量，剪切模量计算上述 每次循环加卸载岩石变形参数值，其中，Δσ₁、Δε₁、Δε₃分别代 表上述每次循环加卸载的加载部分中每相隔5~10MPa一段的轴向应力增 量、轴向应变增量和侧向应变增量；Δσ_m、Δε_m、Δτ₈、Δγ₈分 别代表上述每次循环加卸载的加载部分中每相隔5~10MPa一段的平均正 应力增量、平均正应变增量、八面体剪应力增量和八面体剪应变增量 ；从上述轴向应力全过程循环加卸载测试中得到圆柱形岩样的轴向塑 性应变ε₁^p和侧向塑性应变ε₃^p，然后根据广义塑性应变公式计算每 次循环加卸载的广义塑性应变；将每次循环加卸载获得的弹性模量、 泊松比、体积模量和剪切模量参数与相对应的广义塑性应变分别绘 制成曲线图，通过上述曲线图得到这些变形参数与广义塑性应变的变 化规律，并可得到相应弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量的取 值；

步骤402，将不同围压下与广义塑性应变相对应的每个加卸载循环最大 轴向应力绘制成曲线图，采用插值方法获得不同围压下相同广义塑性 应变所对应的每个加卸载循环最大轴向应力，并采用摩尔-库伦屈服准 则，回归得到该广义塑性应变对应的粘聚力c和内摩擦角值，增加广 义塑性应变值，逐次类推，可得到多组不同广义塑性应变所对应的粘 聚力c和内摩擦角值，将粘聚力c和内摩擦角值与相对应的广义塑性 应变分别绘制成曲线图，通过该曲线描述粘聚力c和 内摩擦角与广义塑性应变的变化规律，并得到相应粘聚力c和内摩擦 角的取值。

所述步骤302中，测试中在到达岩样峰值强度之前，伺服控制岩石刚性 试验机的加载阶段按位移控制模式控制，其加载的位移速率为0.001m m/s，卸载阶段采用轴向应力控制，卸载应力速率为0.1MPa/s；当圆柱 形岩样的轴向应力大于等于圆柱形岩样峰值强度的80~90%时，卸载阶 段采用位移控制，卸载速率为0.01mm/s，加载阶段也采用位移控制， 加载速率为0.01mm/s。

所述步骤304中，施加围压的预定值范围为5MPa~40MPa 。

所述步骤1中，将钻取的深埋硬岩岩芯加工成直径和高度比为1:2的圆 柱形岩样。

所述圆柱形岩样的直径为50 mm、高度为100mm。

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1，在进行轴向应力全过程循环加卸载试验之前，根据实测或反 演获得的工程区域地应力量值，设计至少4种围压预定值，每种围压所 需岩样为3~5个，便于利用摩尔-库伦屈服准则获得岩石的粘聚力和内 摩擦角等强度参数；

步骤2.2，根据设定的围压，进行不同围压下圆柱形岩样的常规三轴加 载试验，获的圆柱形岩样在不同围压预定值时的峰值强度，以便确定 轴向应力全过程循环加卸载测试时每次卸载开始时的轴向应力量值。

本发明提出的一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测定方法，可 准确可靠地获得深埋硬岩力学参数变化规律与取值，有效地解决深埋 硬岩地下洞室围岩损伤区岩石力学参数的变化规律与取值的测定技术 问题，将获得的深埋硬岩力学参数变化规律与相应取值应用于深埋硬 岩地下洞室围岩稳定性评价，可显著提高深埋地下工程优化设计的可 靠性和准确性，降低工程造价。

附图说明

图1为大理岩40MPa围压循环加卸载轴向偏应力与应变关系图；

图2 大理岩弹性模量-广义塑性应变曲线图；

图3 大理岩泊松比-广义塑性应变曲线图；

图4 大理岩轴向应力-广义塑性应变曲线图；

图5 大理岩内摩擦角-广义塑性应变曲线图；

图6 大理岩粘聚力-广义塑性应变曲线图。

图1中纵坐标为轴向偏应力，横坐标为应变，图2中纵坐标为弹性模量 ，横坐标为广义塑性应变，图3中纵坐标为泊松比，横坐标为广义塑性 应变，图4中纵坐标为轴向应力，横坐标为广义塑性应变，图5中纵坐 标为内摩擦角，横坐标为广义塑性应变，图6中纵坐标为粘聚力，横坐 标为广义塑性应变。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种深埋硬岩力学参数变化规律与取值的测定方法，其特征在于，它 包括如下步骤：

步骤1：在现场钻取深埋硬岩岩芯，并将硬岩岩芯加工成圆柱形岩样；

步骤2：对上述圆柱形岩样进行常规的三轴加载测试，并设定三轴加载 测试中的围压预定值，从而获得圆柱形岩样在不同围压预定值时的峰 值强度；

步骤301，将步骤1得到的圆柱形岩样安装在现有的伺服控制岩石刚性 试验机上，在该圆柱形岩样上安装轴向位移传感器和环向位移传感器 ，并能保证实时传输数据；

步骤302，控制伺服控制岩石刚性试验机，对圆柱形岩样进行轴向应力 全过程循环加卸载测试，测试中在到达岩样峰值强度之前，伺服控制 岩石刚性试验机的加载阶段按位移控制模式控制，卸载阶段采用轴向 应力控制，当圆柱形岩样的轴向应力大于等于圆柱形岩样峰值强度的 80~90%时，卸载阶段采用位移控制，加载阶段也采用位移控制；

步骤303，设定上述轴向应力全过程循环加卸载测试的循环次数和方式 ，其中轴向应力全过程循环加卸载试验的循环次数为15~20次，每次卸 载时，轴向偏应力卸载至0.1MPa，然后开始加载，确保 试验过程的连续性和完整性；

步骤304，施加围压至某一预定值，保持围压不变，对圆柱形岩样进行 轴向应力全过程循环加卸载测试，其中在圆柱形岩样峰前峰值强度的 30%、40%、50%、60%和70%各进行一次循环加卸载，峰值强度的80%、 85%、90%、95%和100%各进行一次循环加卸载，圆柱形岩样峰值的峰后 下降段进行4~6次循环加卸载，圆柱形岩样峰值的峰后残余强度段进行 3~4次循环加卸载，记录下围压、每个加卸载循环最大轴向应力、轴向 位移和侧向位移参数，如图1所示；

步骤401，根据弹性模量，泊松比，体积模量，剪切模量计算上述 每次循环加卸载岩石变形参数值，其中，Δσ₁、Δε₁、Δε₃分别代 表上述每次循环加卸载的加载部分中每相隔5~10MPa一段的轴向应力增 量、轴向应变增量和侧向应变增量；Δσ_m、Δε_m、Δτ₈、Δγ₈分 别代表上述每次循环加卸载的加载部分中每相隔5~10MPa一段的平均正 应力增量、平均正应变增量、八面体剪应力增量和八面体剪应变增量 ；从上述轴向应力全过程循环加卸载测试中得到圆柱形岩样的轴向塑 性应变ε₁^p和侧向塑性应变ε₃^p，然后根据广义塑性应变公式计算每 次循环加卸载的广义塑性应变；将每次循环加卸载获得的弹性模量、 泊松比、体积模量和剪切模量参数与相对应的广义塑性应变分别绘 制成曲线图，通过上述曲线图得到这些变形参数与广义塑性应变的变 化规律，并可得到相应弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量的取 值，其中，弹性模量-广义塑性应变曲线如图2所示，泊松比-广义塑性 应变曲线如图3所示；

步骤402，将不同围压下与广义塑性应变相对应的每个加卸载循 环最大轴向应力绘制成曲线图，如图4所示，采用插值方法获得不同围 压下相同广义塑性应变所对应的每个加卸载循环最大轴向应力，并采 用摩尔-库伦屈服准则，回归得到该广义塑性应变对应的粘聚力c和内 摩擦角值，增加广义塑性应变值，逐次类推，可得到多组不同广义塑 性应变所对应的粘聚力c和内摩擦角值，将粘聚力c和内摩擦角值与 相对应的广义塑性应变分别绘制成曲线图，通过该曲线描述粘聚力c和 内摩擦角与广义塑性应变的变化规律，如图6和5所示，并得到相应粘 聚力c和内摩擦角的取值。

上述技术方案的步骤302中，测试中在到达岩样峰值强度之前，伺服控 制岩石刚性试验机的加载阶段按位移控制模式控制，其加载的位移速 率为0.001mm/s，卸载阶段采用轴向应力控制，卸载应力速率为0.1MP a/s；当圆柱形岩样的轴向应力大于等于圆柱形岩样峰值强度的80~90 %时，卸载阶段采用位移控制，卸载速率为0.01mm/s，加载阶段也采用 位移控制，加载速率为0.01mm/s。

上述技术方案的步骤304中，施加围压的预定值范围为5MPa~40MPa。

上述技术方案的步骤1中，将钻取的深埋硬岩岩芯加工成直径和高度比 为1:2的圆柱形岩样。该圆柱形岩样的直径为50mm、高度为100mm。

上述技术方案的步骤2包括如下步骤：

步骤2.1，在进行轴向应力全过程循环加卸载试验之前，根据实测或反 演获得的工程区域地应力量值，设计至少4种围压预定值，每种围压所 需岩样为3~5个，确保试验结果的可靠性，便于利用摩尔-库伦屈服准 则获得岩石的粘聚力和内摩擦角等强度参数；

步骤2.2，根据设定的围压，进行不同围压下圆柱形岩样的常规三轴加 载试验，获的圆柱形岩样在不同围压预定值时的峰值强度，以便确定 轴向应力全过程循环加卸载测试时每次卸载开始时的轴向应力量值。

上述公式推导过程如下：硬岩在轴向应力全过程循环加卸载试验中的 变形由弹性变形和塑性变形组成。对于弹性变形，根据胡可定律：

${{ϵ}_1}^e=\frac{1}{E}[{\sigma }_1-v({\sigma }_2+{\sigma }_3)]---\left(1\right)$

${{ϵ}_2}^e=\frac{1}{E}[{\sigma }_2-v({\sigma }_1+{\sigma }_3)]---\left(2\right)$

${{ϵ}_3}^e=\frac{1}{E}[{\sigma }_3-v({\sigma }_1+{\sigma }_2)]---\left(3\right)$

式中ε₁^e、ε₂^e、ε₃^e代表弹性状态下的主应变，σ₁、σ₂、σ₃代表 主应力，E代表弹性模量，v代表泊松比。

对于每个加卸载循环，E和v在加载部位的线弹性段取值，有

$E=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_1}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_1}---\left(4\right)$

而$v=\left|\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_3}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_1}\right|---\left(5\right)$

，式中ε_m代表平均正应变，σ_m代表平均正应力，K为体积弹性模量 ，其中ε_m和σ_m计算式分别如下：

${ϵ}_m=\frac{1}{3}({ϵ}_1+{ϵ}_2+{ϵ}_3)---\left(6\right)$

其中，ε、ε₂、ε₃代表三个方向的主应变。

${\sigma }_m=\frac{1}{3}({\sigma }_1+{\sigma }_2+{\sigma }_3)---\left(7\right)$

对于每个加卸载循环，K在加载部位的线弹性段取值，有

$K=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_m}{3{\mathrm{\Delta ϵ}}_m}---\left(8\right)$

τ₈=Gγ₈，式中τ₈为八面体剪应力，γ₈为八面体剪应变，G为剪切弹 性模量，其中τ₈和γ₈计算式分别如下：

${\tau }_8=\frac{1}{3}\sqrt{[{({\sigma }_1-{\sigma }_2)}^2+{({\sigma }_2-{\sigma }_3)}^2+{({\sigma }_3-{\sigma }_1)}^2]}---\left(9\right)$

${\gamma }_8=\frac{1}{3}\sqrt{[{({ϵ}_1-{ϵ}_2)}^2+{({ϵ}_2-{ϵ}_3)}^2+{({ϵ}_3-{ϵ}_1)}^2]}---\left(10\right)$

对于每个加卸载循环，G在加载部位的线弹性段取值，有

$G=\frac{{\mathrm{\Delta \tau }}_8}{{\mathrm{\Delta \gamma }}_8}---\left(11\right)$

记录每次加卸载循环完成后对应的轴向塑性应变ε₁^e和侧向塑性应变 ε₃^e，利用广义塑性应变计算公式

$\overline{{\omega }^p}=\frac{2}{3}({{ϵ}_1}^p-{{ϵ}_2}^p)---\left(12\right)$

获得轴向应力全过程循环加卸载试验的广义塑性应变，可得到弹性模 量-广义塑性应变、泊松比-广义塑性应变、体积模量-广义塑性应变、 剪切模量-广义塑性应变等曲线图，选择合适的数学模型分别描述这些 变形参数与广义塑性应变的变化规律，并可得到相应变形参数的取值 。

将不同围压下与广义塑性应变相对应的每个加卸载循环最大轴向应力 绘制成曲线图，采用插值方法获得不同围压下相同广义塑性应变所对 应的轴向应力，采用摩尔-库伦屈服准则公式，式中τ对应于圆柱形 岩样破坏面上的剪应力，σ对应于圆柱形岩样破坏面上的正应力，为 内摩擦角，c为粘聚力，其中τ和σ的计算公式分别如下

采用回归的方法，计算出相同广义塑性应变对应的c和，增加广义塑 性应变值，逐次类推，可得到多组不同广义塑性应变所对应的粘聚力 c和内摩擦角值，将粘聚力c和内摩擦角值与相对应的广义塑性应变 分别绘制成曲线图，选择合适的数学模型分别描述粘聚 力c和内摩擦角与广义塑性应变的变化规律，并可得到相应强度参数 的取值。

说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术 。