多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法

摘要

本发明公开了一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法，包括以下步骤：现场采样，制作岩芯试件；将试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，并调整轴向应变和环向应变测量系统至初始值；按照应力荷载控制模式对试件进行多级应力分级加载蠕变力学试验，直至试样被破坏，在此过程中，测量试验全程不同应力作用下轴向压缩应变和环向扩容应变随时间的变化；计算试件体积应变随时间变化；绘制岩石蠕变曲线，判定每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段；计算每级应力荷载作用下稳态蠕变速率，绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，确定其交点，该交点对应的应力即为岩石的长期强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法。

背景技术

随着我国岩石工程建设规模的逐步扩大，其长期稳定和安全性问题愈发得以重视，长期 强度是岩石工程长期稳定和安全分析的重要方面。工程经验及监测资料表明，许多岩石工程 施工期并没有发生常规破坏，随着时间的推移，变形和应力呈现随时间的增长而缓慢变化的 现象，此现象对工程长期稳定性影响较大，可直接引起失稳和破坏。研究时效作用下岩石工 程应力应变状态的变化规律，以及依据规律解决、预测工程长期稳定性等相关问题均需提供 准确的岩石长期强度，因此，提出一种便捷直观的长期强度确定方法显得至关重要。

长期强度的确定是岩石工程长期稳定性和安全分析的重要方面；理论上，长期强度为特 定值，但依据现存方法进行理论推导并通过试验结果对其准确确定还较为困难，因此，常用 一个区间或近似值进行衡量。

已有长期强度的研究主要集中在简单和复杂应力状态两个方面。简单应力状态下，可利 用直接法和体积扩容法等确定；崔西海和付志亮在文《岩石流变特性及长期强度的试验研究》 (崔希海，付志亮.岩石流变特性及长期强度的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006， 25(5)：1021-1024.)中运用轴向稳定蠕变应力阀值，直接对岩石长期强度予以了确定，但 此方法所得岩石长期强度偏于保守，且应力荷载分级为人为预先设计，故所得长期强度存在 一定得主观性；李良权和徐卫亚等在文《基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价》(李良权， 徐卫亚，王伟，等.基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价[J].工程力学，2010，27(11)： 127-136.)中运用岩石体积扩容法对长期强度予以了确定，主要为采用直观观察体积应变曲 线的转折点，认为其转折点对应的应力水平即为岩石长期强度，但此方法由于个人观察实验 曲线的不同，亦存在一定得人为主观性。

复杂应力状态下主要采用应力-应变等时曲线簇法进行确定；徐卫亚和王如宾等在专利 《地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法》(201410399007.5)中公开了利用应力- 应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速率确定岩石长期强度的方法；该专利中所述方法仅 考虑了岩石的轴向应变变化，未考虑环向和体积应变变化对岩石长期强度的影响。鉴于大多 数岩石破坏时均呈现显著的体积扩容和轴向压缩，故此两种方法仅考虑轴向应变对长期强度 予以确定存在一定得误差性；此外，应力-应变等时曲线法为以不同时间为参数，得到一簇应 力-应变等时曲线，当时间趋于无穷大时，所对应的应力水平即为长期强度；但针对特定的岩 石力学试验，时间为48h或者72h，离趋于无穷大存在一定得差距，故此方法确定长期强度 存在一定得局限性；而匀速稳态流变阶段流变速率法即通过指数函数描述岩石试样的稳态蠕 变速率，进而认为指数函数的拐点即为岩石的长期强度；鉴于指数函数为光滑的曲线，拐点 并不明确，直观对其拐点予以观察势必会引起一定得误差；且由于三个方向流变速率曲线变 化规律存在一定的差别，导致拐点并不相同，实际工程中采用哪个方向的流变速率曲线拐点 确定长期强度是个值得争议的话题。

综上所述，现存判定长期强度的方法均具有一定得主观性。因此亟需提供一种新的、定 量的、适用范围广的、准确度高的岩石长期强度确定方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强 度的方法，本方法以岩石实际延性扩容变形为依据，综合考虑轴向、环向和体积稳态流变速 率，根据轴向、环向和体积稳定蠕变速率交点进行了客观判定，进而保证了求解的唯一性和 准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法，包括以下步骤：

(1)岩石工程现场勘测采样，制作岩石试件；

(2)将试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，并调整轴向应变和环向应变测量系 统至初始值；

(3)按照应力荷载控制模式对试件进行多级应力分级加载蠕变力学试验，直至试样被 破坏，在此过程中，测量试验全程不同应力作用下轴向压缩应变和环向扩容应变随时间的变 化；

(4)根据试验全程轴向压缩应变和环向扩容应变数值，计算两者之和，即试件试验全 程体积应变随时间变化；

(5)绘制岩石蠕变曲线，判定每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕 变阶段，并计算轴向、环向和体积稳态蠕变速率；

(6)绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，确定其交点， 该交点对应的应力即为岩石的长期强度。

所述步骤(1)中，岩石试件为圆柱形，尺寸符合际岩石力学学会(ISRM)推荐标准， 为50mm×100mm(直径×长度)的圆柱状试件或制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石 试件。

所述步骤(1)中，岩石试件的制备方法为：首先采用岩石取芯机对原始岩块进行钻孔取 芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块；其次采用岩石切割机对长岩芯的端面进行切割得到端 面平整的圆柱形试样；最后采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，制备好的圆柱形试 样需采用砂纸研磨，进而保证上下端面平行，侧面光滑。

所述步骤(3)中，具体方法为：多级应力分级加载蠕变力学试验在恒温恒湿条件下进行， 属单试样等围压、轴向偏应力分级加载的三轴蠕变力学试验；首先施加围压至应力稳定；其 次保持围压恒定，施加初始偏向轴应力σ₁，保持恒定偏应力荷载，测量应力σ₁作用下轴向压 缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂随时间的变化，待变形稳定后进行下级应力加载；进而施加第三 级应力σ₃，以此类推直至试件发生蠕变破坏；得到试验全程不同应力σ_i作用下轴向压缩应变 ε₁和环向扩容应变ε₂随时间的变化。

所述步骤(3)中，初始偏向轴应力σ₁取岩石抗压强度的10％-25％，第二级应力σ₂取岩 石抗压强度的35％-50％，第三级应力σ₃取岩石抗压强度的60％-75％。

所述步骤(5)中，绘制岩石蠕变曲线，即恒定偏应力作用下，岩石变形随时间的变化曲 线；判定每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并计算轴向环 向和体积稳态蠕变速率。

所述步骤(5)中，具体方法为，对稳定边界予以判别；首先确定不同轴向应力稳态速率 渐近值取单级应力不包含加速蠕变曲线段的末尾段变形速率；其次，设定蠕变速率阀值 当蠕变速率时，即认为此刻达到衰减蠕变和稳态蠕变的稳定边界。

所述步骤(5)中，蠕变阀值取

一种岩石三轴流变力学试验仪器，包括恒定围压加载系统、恒定偏压加载系统、轴向应 变测量系统、环向应变测量系统、试样装置系统和数据传感系统，其中，恒定围压加载系统 用于试验过程中围压的施加并长期保持恒定，恒定偏压加载系统用于试验过程中偏压的施加 并长期保持恒定，恒定围压加载系统、恒定偏压加载系统均连接试样装置系统，轴向应变测 量系统用于准确测量试样的轴向应变、环向应变测量系统用于准确测量试样的环向应变，两 者均设置于试样系统外侧，试件装置系统用于安装试件并将其固定，数据传感系统连接试件 装置系统，用于采集并传输试验全程试件轴向和环向应变的变化。

本发明的有益效果为：

(1)为准确确定岩石长期强度提供了一种新方法，基于岩石多级应力分级加载蠕变力 学试验，去除了用户的主观判断；

(2)以岩石实际延性扩容变形破坏为依据，根据轴向、环向和体积稳定蠕变速率交点 进行了客观判定，进而保证了求解的唯一性和准确性；

(3)该方法简单可靠，且准确度较高，易于推广应用于实际岩石工程。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的所需的岩石三轴流变力学试验仪器；

图3为本发明的典型岩石单级应力蠕变曲线；

图4(a)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环向和体 积应变随时间变化的蠕变曲线；

图4(b)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环向和体 积应变随时间变化的蠕变曲线；

图4(c)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变力学试验得到的轴向、环向和体 积应变随时间变化的蠕变曲线；

图5(a)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和体积稳 态流变速率与应力关系；

图5(b)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和体积稳 态流变速率与应力关系；

图5(c)为本发明坝基砂岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和体积稳 态流变速率与应力关系；

图6为本发明碎屑岩通过多级应力分级加载蠕变曲线得到的轴向、环向和体积稳态流变 速率与应力关系。

其中，1、恒定围压加载系统，2、恒定偏压加载系统，3、轴向应变测量系统，4、环向 应变测量系统，5、试样装置系统，6、数据传感系统。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种多级应力分级加载蠕变力学试验确定岩石长期强度的方法，依次包括 以下步骤：

步骤S1：岩石工程现场勘测采样，制作圆柱形岩石试件；

步骤S2：将试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，并调整轴向应变和环向应变测量 系统至初始值；

步骤S3：按照应力荷载控制模式对试件进行多级应力分级加载蠕变力学试验，直至试样 破坏；并测量试验全程不同应力σ_i作用下轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂随时间的变化；

步骤S4：基于试验全程轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂数值，计算试件试验全程体积 应变随时间变化，其中体积应变ε_v＝ε₁+2ε₂；

步骤S5：绘制岩石蠕变曲线，即恒定偏应力作用下，岩石变形随时间的变化曲线；判定 每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并计算轴向环向和体 积稳态蠕变速率；

步骤S6：在同一张图上分别绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系 曲线；鉴于岩石环向体积扩容速率超过轴向压缩速率的临界点为加速扩容破坏的标志，故图 中轴向、环向及体积稳态速率变化曲线存在一个交点，该交点对应的应力即为岩石的长期强 度。

以下通过2个实施例，对该发明专利予以具体说明；

实施例一：

以我国西部某水电站坝基砂岩为例，基于多级应力分级加载蠕变力学试验，利用稳态速 率交点确定岩石长期强度，进行以下操作：

(1)我国西部某水电站坝基岩石岩性主要为砂岩，现场勘测钻取岩芯的基础上，对其进 行加工，基于岩石力学学会(ISRM)推荐标准，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试 件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm；

(2)将标准试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，如图2所示，岩石三轴流变力学 试验仪器，包括恒定围压加载系统(1)、恒定偏压加载系统(2)；轴向应变测量系统(3)、 环向应变测量系统(4)、试样装置系统(5)和数据传感系统(6)；其中恒定围压加载系统 用于试验过程中围压的施加并长期保持恒定；恒定偏压加载系统用于试验过程中偏压的施加 并长期保持恒定；轴向应变测量系统用于准确测量试样的轴向应变、环向应变测量系统用于 准确测量试样的环向应变；试件装置系统用于安装试件并将其固定；数据传感系统用于采集 并传输试验全程试件轴向和环向应变的变化，并调整轴向应变和环向应变测量系统至初始值， 初始值近似于0；

(3)采用岩石三轴流变力学试验按照应力荷载控制模式对试件进行三组多级应力分级加 载蠕变力学试验，所有试验均在恒温恒湿条件下进行，属单试样等围压、轴向偏应力分级加 载的三轴蠕变力学试验；首先施加围压至应力稳定；基于现场地应力勘测情况，三组试验的 围压分别取1.0、1.5和2.0MPa；围压荷载的加载速率为0.75MPa/min,直至稳定；其次保持 围压恒定，施加初始偏向轴应力σ₁＝1.0MPa，并保持恒定偏应力48小时，测量应力σ₁作用 下轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂随时间的变化；待变形稳定后进行第二级应力 σ₂＝1.75MPa应力加载；重复操作；进而施加第三级应力σ₃＝2.5MPa；以此类推直至试件 发生蠕变破坏，试验结束；得到试验全程不同应力σ_i作用下轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变 ε₂随时间的变化，如图4所示；其中轴向偏应力加载速率为0.375MPa/min；

(4)如图4所示，基于试验全程轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂数值，计算得到试件 试验全程体积应变随时间变化，其中体积应变ε_v＝ε₁+2ε₂，ε₁为正值，ε₂为负值；

(5)基于如图4的不同应力σ_i作用下，轴向ε₁、环向ε₂和体积ε_v应变随时间的变化曲 线，得到每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并计算不同应力σ_i作用下轴向环向和体积稳态蠕变速率；

(6)基于计算得到的每级应力荷载作用下轴向环向和体积稳态蠕变速率，在同 一张图上分别绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，如图5所示， 其中偏应力荷载σ_i为横坐标，稳态速率为纵坐标；图中轴向、环向及体积稳态速率变化曲 线存在一个交点(围压1.0MPa的A点；围压1.5MPa的B点和围压2.0MPa的C点)，该交 点对应的偏应力即为岩石的长期强度，分别为2.58MPa 3.25MPa和4.16MPa；

(7)并采用徐卫亚和王如宾等在专利《地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法》 (201410399007.5)中公开的利用应力-应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速率法对岩 石长期强度予以确定；其中针对匀速稳态流变阶段流变速率法，对轴向、环向和体积方向的 稳态速率拐点均予以了判定，但拐点并不清晰，且三向流变速率曲线拐点亦不相同，取三个 拐点的平均值作为匀速稳态流变阶段流变速率法得到的长期强度；汇总结果如表1所示。

表1

综合分析基于三种方法得到的坝基砂岩长期强度，发现本发明专利稳态速率交点法结果 与等时曲线簇法基本一致，误差较小；但稳态速率拐点法结果小于上述两种方法的结果。因 此认为本文提出的基于三向稳态速率交点确定长期强度的方法，简单直观，操作方便，且该 方法以岩石实际延性扩容为基础，通过不同方向稳态速率随应力的变化关系，定量对长期强 度予以判定，去除了人为的主观性，具有较高的准确性，可用于工程中依靠岩土体变形判断 长期强度和稳定性。

实施例二：

以我国某滑坡断层碎屑岩为例，基于多级应力分级加载蠕变力学试验，利用稳态速率交 点确定岩石长期强度，进行以下操作：

(1)我国某滑坡断层岩石岩性主要为碎屑岩，现场勘测钻取岩芯的基础上，对其进行加 工，基于岩石力学学会(ISRM)推荐标准，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件， 本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm；

(2)将标准试件安装至岩石三轴流变力学试验仪器内，如图2所示；并调整轴向应变和 环向应变测量系统至初始值，初始值近似于0；

(3)采用岩石三轴流变力学试验按照应力荷载控制模式对试件进行多级应力分级加载蠕 变力学试验，试验在恒温恒湿条件下进行，属单试样等围压、轴向偏应力分级加载的三轴蠕 变力学试验；首先施加围压至应力稳定；基于现场地应力勘测情况，试验的围压取2.0MPa； 围压荷载的加载速率为0.75MPa/min,直至稳定；其次保持围压恒定，施加初始偏向轴应力 σ₁＝1.0MPa，并保持恒定偏应力48小时，测量应力σ₁作用下轴向压缩应变ε₁和环向扩容应 变ε₂随时间的变化；待变形稳定后进行第二级应力σ₂＝1.75MPa应力加载；重复操作；进而 施加第三级应力σ₃＝2.5MPa；以此类推直至试件发生蠕变破坏，试验结束；得到试验全程 不同应力σ_i作用下轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂随时间的变化；其中轴向偏应力加载速 率为0.375MPa/min；

(4)基于试验全程轴向压缩应变ε₁和环向扩容应变ε₂数值，计算得到试件试验全程体 积应变随时间变化，其中体积应变ε_v＝ε₁+2ε₂，ε₁为正值，ε₂为负值；

(5)基于不同应力σ_i作用下，轴向ε₁、环向ε₂和体积ε_v应变随时间的变化曲线，得到 每级应力荷载作用下蠕变曲线的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并计算轴向环向和体 积稳态蠕变速率；

(6)基于计算得到的每级应力荷载作用下轴向环向和体积稳态蠕变速率，在 同一张图上分别绘制轴向、环向和体积稳态蠕变速率随应力水平变化的关系曲线，如图6所 示，其中偏应力荷载σ_i为横坐标，稳态速率为纵坐标；图中轴向、环向及体积稳态速率变 化曲线存在一个交点(D点)，该交点对应的偏应力即为岩石的长期强度，为3.25MPa；

(7)并采用徐卫亚和王如宾等在专利《地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法》 (201410399007.5)中公开的利用应力-应变等时曲线或匀速稳态流变阶段流变速率法对岩 石长期强度予以确定；其中针对匀速稳态流变阶段流变速率法，对轴向、环向和体积方向的 稳态速率拐点均予以了判定,且取三个拐点的平均值作为匀速稳态流变阶段流变速率法得到 的长期强度，汇总结果如表2所示。

表2

综合分析基于三种方法得到的碎屑岩长期强度，发现本发明专利稳态速率交点法与等时 曲线簇法结果基本一致；与匀速稳态流变阶段流变速率拐点法略有差异，印证了匀速稳态流 变阶段流变速率拐点法具有一定的误差；针对匀速稳态流变阶段流变速率拐点法，轴向拐点 对应的应力略大于环向和体积拐点，说明岩样环向及体积加速破坏起始时间早于轴向，应力 接近长期强度时，岩样环向和体积应变首先大幅度增加，进而促进轴向压缩变形，表现为体 积扩容破坏较压缩明显，环向和体积稳态蠕变速率接近并超过轴向稳态速率；此现象亦印证 了基于稳态速率交点长期强度确定方法的准确性和合理性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。