一种用于评估深部工程的岩体强度的室内试验方法

摘要

本发明公开了一种用于评估深部工程的岩体强度的室内试验方法，属于岩石力学与工程测试领域，用于评估深部工程岩体开挖的力学稳定与支护安全问题。它包括等效球应力状态施加和等效球应力加载剪切两个步骤；等效球应力状态施加根据深部工程原位地应力计算得到其等效的球应力，并对岩石或混凝土施加该球应力值；该球应力值达到等效球应力时恒定，此时可加载竖向应力和减小侧向应力，直至试样发生破坏。本发明根据深部工程原位地应力计算得到其等效球应力，并通过等效球应力加载剪切得到岩石或混凝土该路径下的剪切强度，实现对深部工程中岩石或混凝土力学强度和变形行为的评估，最终服务于深部岩石工程的力学稳定与支护安全评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于评估深部工程的岩体强度的室内试验方法。

背景技术

深地能源开发和战略资源地下储置是当下我国能源战略部署调整的新方向，该调整使工程建设活动进一步向深地发展。深地工程建设面临着与浅表部工程不一样的地质环境和工程建设条件，因而需要发展新的方法和技术，评估深地工程开挖岩体的稳定，硐室安全以及相应的支护评价。

当前评估岩体开挖扰动区岩石强度和变形，基本基于单轴或常规三轴抗压试验结果而展开，实验中的侧向应力始终维持不变，显然，该试验应力路径与开挖弹性应力不符。因此，需要发展符合该应力调整路径的新试验方法来评估深部开挖区围岩安全以采取相应的控制措施。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于评估深部工程的岩体强度的室内试验方法，该方法为深部岩体工程建设安全提供准确的评价方法和依据。

为了实现上述目的，本发明的用于评估深部工程的岩体强度的室内试验方法，包括：

S1、依据深部工程原位地应力，计算与深部工程对应的等效球应力，所述原位地应力包括竖向应力和水平方向的两个侧向应力；

S2、对待试验的岩石或混凝土施加所述原位地应力等效的球应力；

S3，在所述步骤S2中施加的原位地应力等效的球应力与所述等效球应力相同时，保持所述步骤S2中施加的原位地应力等效的球应力恒定，并向所述待试验的岩石或混凝土增加竖向应力的值，以及减少侧向应力的值；

S4、当所述待试验的岩石或混凝土发生破坏时，获取竖向应力和侧向应力的值；

S5、根据获取的竖向应力和侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的岩体强度。

可选地，所述待试验的岩石或混凝土为圆柱体。

可选地，所述步骤S3中的向所述待试验的岩石或混凝土增加竖向应力的值，以及减少侧向应力的值，包括：

S31、根据深部工程开挖导致的竖向应力变化量，向所述待试验的岩石或混凝土依次增加竖向应力，以及

S32、根据深部工程开挖导致的侧向应力变化量，向所述待试验的岩石或混凝土依次减少侧向应力。

可选地，S30、根据下述公式(1)获取球应力和偏应力的增量：

Δp(r,t)＝0

Δq(r，t)＝2Δσ(t)a²/r₂(1)

其中，所述Δp(r,t)为球应力的增量，Δq(r，t)为偏应力的增量；

所述偏应力为竖向应力减去水平方向的一个侧向应力得到的；

a表示所述待试验的岩石或混凝土所在的深部工程硐室截面半径；r表示某点到硐室截面中心距离；t为开挖过程的时间变量；

Δσ(t)表示硐室开挖过程中产生的球应力增量；

根据所述偏应力的增量，给定侧向应力的变化量，获取竖向应力的变化量，或者给定竖向应力的变化量，获取侧向应力的变化量。

可选地，所述步骤S5包括：

根据获取的竖向应力和侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的力学强度；

根据所述侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的所需的支护强度。

可选地，所述方法还包括：

S6、根据所述岩体强度的信息，获取深部工程中对应的岩体强度的变形控制措施。

所述步骤S1中的等效球应力＝(竖向应力+侧向应力*2)/3。

有益效果：

现有技术中评估岩体开挖扰动区岩石强度和变形的实验方法中侧向应力始终维持不变，造成试验应力路径与开挖弹性应力不符，造成评估结果不准确的问题，本发明以深部岩体工程开挖弹性应力解为基础，揭示深部岩体开挖导致的围岩应力调整特性。提出符合围岩弹性应力调整的试验方法；所述方法可得到准确岩体破坏准则和强度特征，避免了现有实验方法由于实验中侧向应力始终维持不变，导致的实验结果与实际情况存在偏差的现象。本发明为深部岩体工程安全评价提供了新途径。

附图说明

图1为本发明实施例中示出的岩体初始应力场的示意图；

图2为针对图1中岩体在开挖后应力调整路径的示意图；

图3为针对图2中岩体施加等效球应力的示意图；

图4为针对图2中岩体在等效球应力恒定时调整竖向应力和侧向应力的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

为更好的理解本发明实施例中，以下先结合公式对现有技术的缺陷进行说明。

在初始地层应力下，岩体应力基本接近其初始等效球应力σ_v0≈σ_h0＝σ₀(如图1所示)，其岩体初始应力解如公式(1)所示。

深部岩体开挖后，岩体原有应力平衡被打破；在开挖扰动下，岩体发生应力重调整和重分布(如图2所示)。根据扰动区边界条件，求解拉梅纳维尔(Lame-Navier)方程，可得到其弹性应力解如公式(2)所示。

其中时间变量t表示开挖过程。公式(1)、(2)和下述公式(3)中的r、z、θ表示图1和图2中的柱坐标系的方向，H表示水平方向。

根据开挖后弹性应力解式(2)可知，扰动区围岩侧向应力减小，剪应力增加，即两个方向应力均发生了变化。现有技术中评估岩体开挖扰动区岩石强度和变形，基本基于单轴或常规三轴抗压试验结果而展开，其中的侧向应力始终维持不变；显然，该试验应力路径与开挖弹性应力解式(2)不符。因此，需要发展符合该应力调整路径的新试验方法来评估深部开挖区围岩安全以及相应的控制措施。

为此，本发明实施例中，试验方法可包括等效球应力状态施加、等效球应力加载剪切两个步骤；所述等效球应力状态施加根据深部工程原位地应力计算得到其等效的球应力，并对岩石或混凝土施加该球应力值；在施加的球应力值与等效球应力值相同时，进一步可加载竖向应力和减小侧向应力，直至试样发生破坏；根据试验过程中得到的变形和应力，评估围岩岩体强度并提出相应的变形控制措施。

在具体实现过程中，可根据式(2)计算球应力和偏应力的增量分别为

根据式(3)可知，扰动区围岩应力在开挖过程中具有等效球应力特征；进而在本实施例中提出符合该式(3)应力解的试验方法；试验方法可准确评估深部岩体工程开挖导致的岩石扰动损伤和破坏行为，及根据试验结果提出相应的硐室安全控制措施。

进一步的，根据不同球应力水平下的加载剪切试验结果，可以得到岩石或混凝土的破坏准则及相应强度参数。

本实施例的方法具有的优势为：以深部岩体工程开挖弹性应力解为基础，揭示深部岩体开挖导致的围岩应力调整特性；所述根据弹性应力解提出符合围岩弹性应力调整的试验方法；所述方法可得到岩石混混凝土破坏准则和强度特征；所述方法为深部岩体工程安全评价提供了新途径。

结合图3和图4所示，本实施例的方法可包括下述的步骤：

步骤S1、依据深部工程原位地应力，计算与深部工程对应的等效球应力，所述原位地应力包括竖向应力和水平方向的两个侧向应力。

本实施例中的等效球应力＝(竖向应力+侧向应力*2)/3。

也就是说，本实施例中等效球应力等于深部工程原位地应力不同方向的力的平均值。

步骤S2、对待试验的岩石或混凝土施加所述原位地应力等效的球应力。

也就是说，对待试验的岩石或混凝土(下述称为岩体)施加竖向应力和水平方向的侧向应力。

如图2所示，本实施例中的待试验的岩石或混凝土可为圆柱体。其施加的力如图2所示。

步骤S3，在所述步骤S2中施加的原位地应力等效的球应力与所述等效球应力相同时，保持所述步骤S2中施加的原位地应力等效的球应力恒定，并向所述待试验的岩石或混凝土增加竖向应力的值，以及减少侧向应力的值。

具体地，在实现过程中，可根据深部工程开挖导致的竖向应力变化量，向所述待试验的岩石或混凝土依次增加竖向应力，以及根据深部工程开挖导致的侧向应力变化量，向所述待试验的岩石或混凝土依次减少侧向应力。

例如，在实验过程中，根据公式Δq(r，t)＝2Δσ(t)a²/r₂确定偏应力的变化量(增量)，进而根据所述偏应力的增量，给定侧向应力的变化量，获取竖向应力的变化量，或者给定竖向应力的变化量，获取侧向应力的变化量。

上述公式中，所述Δp(r,t)为球应力的增量，Δq(r，t)为偏应力的增量；

所述偏应力为竖向应力减去水平方向的一个侧向应力得到的；

a表示所述待试验的岩石或混凝土所在的深部工程硐室截面半径；r表示某点到硐室截面中心距离；t为开挖过程的时间变量；

Δσ(t)表示硐室开挖过程中产生的球应力增量。

可理解的是，在具体实现过程中，可以对待试验的岩石或混凝土圆柱试样在压力室中施加三向相等的等效球应力。当然施加球应力的具体操作方式可根据不同的试验设备确定具体的操作方式，本实施例中不对其限定，根据实际需要选择。

步骤S4、当所述待试验的岩石或混凝土发生破坏时，获取竖向应力和侧向应力的值。

步骤S5、根据获取的竖向应力和侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的岩体强度。

举例来说，可根据获取的竖向应力和侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的力学强度；

根据所述侧向应力的值，评估所述待试验的岩石或混凝土的所需的支护强度。

步骤S6、根据所述岩体强度的信息，获取深部工程中对应的岩体强度的变形控制措施。

也就是说，在上述试验方法中，先施加深部工程地应力对应的等效球应力，然后以维持该球应力恒定，增加轴向应力并同时减小侧向应力，直至被测试式样发生破坏，获取破坏时的力的数值，进而进行岩体强度的判断和变形控制措施的确定。

本实施例中根据深部工程原位地应力计算得到其等效球应力，并通过等效球应力加载剪切得到岩石或混凝土该路径下的剪切强度，实现对深部工程中岩石或混凝土力学强度和变形行为的评估，最终服务于深部岩石工程的力学稳定与支护安全评估。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。