一种法向卸荷直剪试验中岩石剪切破裂判别方法

摘要

本发明提供一种法向卸荷直剪试验中岩石剪切破裂判别方法，该判别方法提供了转换能计算方法，并基于转换能不变原理提出了法向卸荷直剪试验中岩石试样的剪切破裂判断标准。该判别方法首先通过单轴压缩试验确定岩石试样的弹性模量，通过加载过程中剪应力和剪位移关系得到试样的剪切刚度，然后通过试验过程中记录的应力和位移数据计算法向应力做功、剪应力做功、法向弹性应变能、转换能和平均转换能，通过试验过程中转换能与平均转换能大小的关系来判断岩石试样是否会发生剪切破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石剪切力学领域，特别涉及一种法向卸荷直剪试验中岩石是否破裂的判别方法。

背景技术

剪切破坏时岩石的基本破坏形式之一，目前学者们在岩石的剪切破裂行为方面做了大量而充分的研究。在研究岩石剪切破裂性质时，目前大多开展直剪试验。传统直剪试验加载步骤主要分为两步：(1)施加法向荷载至目标值；(2)施加剪切荷载直到试样发生破坏。在传统直剪试验中，岩石试样发生破坏时承受常法向应力和逐渐增大的剪应力。然而，实际工程中岩体发生剪切破坏时，其承受的法向荷载常常是逐渐减小的。例如，深部硐室开挖时，围岩会发生基本平行于硐室切向的剪切破坏。开挖卸荷作用导致剪切面上的法向荷载逐渐减小。另外，库区边坡在库水上涨过程中，坡体有效应力减小，潜在剪切破裂面上法向应力减小，常导致发生滑坡灾害。上述工程岩体在发生剪切破坏时，其剪切面上的法向荷载均是逐渐减小的。岩体发生剪切破坏时的应力条件与传统直剪试验中岩石试样的应力条件存在明显不同。

目前判别岩石是否会发生剪切破坏的方法均是根据传统直剪试验结果提出的。这些判别方法对法向卸荷条件下岩石的剪切破坏的判别并不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、结果可靠的判别方法，用于判断法向卸荷直剪试验中岩石试样是否会发生剪切破坏。以解决现有判别方法无法判断法向卸荷直剪试验中试样是否会发生破坏的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种法向卸荷直剪试验中岩石剪切破裂判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取每类岩石的转换能平均值

获取待判别岩石试样的转换能U

查表获得当前待判别岩石对应的转换能平均值，若待判别岩石在法向卸荷直剪试验中获得的转换能U

其中

转换能平均值为多次法向卸荷直剪试验下获得的同种岩石试样发生破坏瞬间的转换能的平均值。

转换能平均值的确定过程是：

(1)采用岩石试样开展单轴压缩试验，记录试验中试样的轴向应力和轴向应变，计算试样弹性模量E；

(2)开展法向卸荷直剪试验，记录试验中岩石试样的法向应力、剪应力、法向位移、剪位移；

(3)通过加载过程中剪应力-剪位移曲线计算试样剪切刚度k；

(4)确定岩石发生破坏瞬间所采集的采样点的数量N，记录所有的应力和位移数据，获得发生岩石破坏瞬间的法向力做功U

(5)利用所记录的法向应力数据和试样横截面积及试样剪切刚度计算岩石破坏瞬间的法向弹性应变能

(6)利用发生岩石破坏瞬间与剪应力为0法向应力为初始法向应力时的法向力做功U

(7)重复步骤(1)到(6)共进行多组试验，获得转换能平均值

所述步骤(1)中岩石的弹性模量E为试样应力应变曲线上线性段的斜率。

所述步骤(2)中试样的剪切刚度为剪应力-位移曲线上线性段的斜率。

所述法向力做功的变化量ΔU

式中，

法向弹性应变能的变化量

法向弹性应变能

式中，

所述剪应力做功U

式中，F

本发明的有益效果在于：

本发明判别方法提供了转换能计算方法，并基于转换能不变原理提出了法向卸荷直剪试验中岩石试样的剪切破裂判断标准。该判别方法首先通过单轴压缩试验确定岩石试样的弹性模量，通过加载过程中剪应力和剪位移关系得到试样的剪切刚度，然后通过试验过程中记录的应力和位移数据计算法向应力做功、剪应力做功、法向弹性应变能、转换能和转换能平均值，通过试验过程中转换能与转换能平均大小的关系来判断岩石试样是否会发生剪切破坏。

本发明原理简单，方法可靠，可基于能量转换大小判断法向卸荷直剪试验中岩石试样是否会发生剪切破坏。

附图说明

图1为法向卸荷直剪试验判别标准确定流程；

图2为岩石试样单轴压缩应力-应变曲线及弹性模量计算方法；

图3为法向卸荷直剪试验应力路径；

图4为岩石试样剪应力-剪位移曲线及剪切刚度计算方法；

图5为法向卸荷直剪试验中法向位移和剪位移曲线；

图6为岩石试样转化能变化曲线。

图中轴向应力-应变曲线1，轴向应力-应变曲线直线段斜率2，法向应力3，剪应力4，法向位移5，剪位移6，剪应力-剪位移曲线7，剪应力-剪位移曲线直线段斜率8，转换能变化曲线9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本实施例公开一种法向卸荷直剪试验中岩石剪切破裂判别方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

(1)开展单轴压缩试验，记录试验中试样的轴向应力和轴向应变，参见图2，绘制轴向应力-应变曲线1，计算试样弹性模量E。

(2)参见图3和图4，开展法向卸荷直剪试验，记录试验中岩石试样的法向应力3、剪应力4、法向位移5、剪位移6。

(3)参见图5，通过加载过程中剪应力-剪位移曲线7计算试样剪切刚度k。

(4)通过记录的应力和位移数据计算法向力做功U

(5)通过记录数据计算法向弹性应变能

(6)参见图6，通过计算得到的法向力做功U

(7)重复步骤(1)到(7)共进行5组试验，计算转换能平均值

(8)此类岩石法向卸荷直剪试验中剪切破裂判据为：

通过试验得到一类岩石的平均值，继而得到了这一类岩石的判据。之后再采用这类岩石做试验或评价工程岩体是否会破坏时就可以基于此进行判别。

所述步骤(1)中岩石的弹性模量为轴向应力-应变曲线线性段斜率2。

所述步骤(3)中试样的剪切刚度为剪应力-位移曲线线性段的斜率8。

所述步骤(4)中法向力做功U

式中，

所述步骤(5)中法向弹性应变能

式中，σ

所述步骤(6)中转换能U

通过上述步骤可以得到岩石法向卸荷剪切试验中的剪切破裂判据：

ΔU

式中，

本发明未述及之处适用于现有技术。