一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法

摘要

本发明公开了一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法。裂纹闭合能量的定义为岩石在压缩荷载作用下有效闭合岩石内部初始微裂纹所需要的能量。采用该方法确定岩石损伤首先对岩石进行单轴压缩试验，并记录相应应力‑应变曲线；然后根据应力‑应变曲线确定岩石的裂纹闭合应力；根据裂纹闭合应力在应力‑应变曲线中标出裂纹闭合能量；在裂纹闭合能量面积内绘制等距的竖向辅助线，将其划分为若干个小梯形；计算各个小梯形的面积，然后求和；所求得的总面积即为岩石的裂纹闭合能量。本发明方法采用裂纹闭合能量确定岩石的初始微裂纹损伤更加客观，还易于编程实现批量操作，可以有效地评价岩石内部的初始微裂纹损伤。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学与岩土工程技术领域，具体涉及一种岩石损伤的确定方法，尤其是涉及一种用于确定工程岩体初始微裂纹损伤程度的方法，可在深部矿产资源开采、深埋隧道建设和边坡工程治理中广泛应用。

背景技术

工程岩体总是赋存在一定的地质环境中，在风化作用或动力扰动(开挖卸荷、爆破震动、地震活动等)作用下，岩体的原位应力状态会发生改变，导致工程岩体的应力场变化，使得工程岩体内部发育大小不等的结构面(包括断层、裂隙、节理、微裂纹等)，发育的微观裂隙会造成岩体内部形成较大的损伤，会直接降低岩体的抗压强度和弹性模量等力学参数，因此，很有必要确定岩体内部的初始微裂纹损伤大小，以保证工程稳定性评价的可靠性。

工程岩体损伤的评价方法较多，根据测试位置的不同总体可以分为两类：现场测试方法和室内试验法。现场测试方法主要是在工程现场通过对岩体的参数进行测试以评价岩体损伤程度的方法，常用的测试参数包括岩体强度、声波波速等，岩体强度的测试依赖现场大型仪器的使用，往往费时耗力，而且费用较高，因此工程中使用较少；相对而言，声波波速的测试比较简单，目前应用较广泛，然而声波波速测试往往数据量非常庞大，而且数据的离散性也相对较强，需要专门技术人员进行数据处理。

室内试验法也常被用于评价工程岩体损伤程度的大小，根据测试手段的不同，室内试验法又可以分为细观方法和宏观方法。细观方法是通过对现场采集的岩石试样进行细观测试以直接观测岩石内部细观微裂纹发育情况的方法，目前细观测试常用的手段包括细观切片显微镜观测、电镜扫描、CT扫描、核磁共振等，这些测试手段虽然精确度较高，但是工作量较大，且设备使用费用较高。相对而言，宏观方法的测试相对简单，且费用较低，因此使用较多。宏观方法主要是测试岩石的宏观力学特性，包括变形特征、强度特征、破裂特性等来评价岩石的损伤程度，常用的指标包括岩石强度、弹性模量、岩石破坏后碎裂程度、裂纹闭合应力等，虽然岩石宏观力学测试相对简单，但是目前还需缺乏一种简单可靠的指标以评价岩石的损伤程度，因此需要提出一种简易指标来确定岩石损伤。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种简单易行、直观性强的采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法，该方法采用简易的宏观指标“裂纹闭合能量”并提供采用该指标来确定岩石损伤，采用该指标确定岩石损伤的方法相对于已有方法也更加客观，可以有效地评价岩石内部的初始微裂纹损伤。

为实现本发明的上述目的，本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法采用以下步骤实现：

首先对裂纹闭合能量进行定义，裂纹闭合能量定义为：岩石在压缩荷载作用下有效闭合岩石内部初始微裂纹所需要的能量；然后，采用以下步骤确定：

S1：对岩石进行单轴压缩试验，记录相应的轴向应力-轴向应变曲线；轴向应力-轴向应变曲线上的坐标原点设为O点；

S2：根据S1步骤得出的轴向应力-轴向应变曲线，采用轴向应变响应方法计算确定岩石的裂纹闭合应力，在轴向应力-轴向应变曲线上确定裂纹闭合应力点，裂纹闭合应力点设为A点，A点对应的轴向应变坐标点设为E点；

S3：在轴向应力-轴向应变曲线上标出裂纹闭合能量，即OAE面积；

S4：在裂纹闭合能量OAE面积内绘制等距的竖向辅助线，将其划分为若干个小梯形；

S5：计算各个小梯形的面积，然后求和，求和所得的总面积即为岩石的裂纹闭合能量，根据裂纹闭合能量数值即可直观评价岩石的初始微裂纹损伤大小。

为了保证试验精度和经过的准确性，S1步骤中，对岩石进行单轴压缩试验至少做三组平行试验。

S4步骤中，在绘制等距竖向辅助线时，辅助线之间的距离应尽可能小，这样才能保证使用梯形计算每个小区域的面积时误差小到可以忽略不计，因此，应保证竖向辅助线的数量不少于200个。

进一步地，S4步骤中，可通过应力-应变曲线试验数据的导出来自动完成，这是由于应变是根据等时间间距来记录的，只需设置时间间隔足够小，即可以保证自动生成较密集的应力-应变数据，从而自动生成数量足够多的竖向辅助线。

进一步地，S2步骤中，采用轴向应变响应方法计算确定岩石的裂纹闭合应力的具体步骤为：

1)通过体积应变法获得岩石内部裂纹不稳定扩展对应的损伤应力；

2)连接原点与损伤应力点绘制直线参考线；

3)计算轴向应力-轴向应变曲线与参考线之间的轴向应变差值；

4)绘制轴向应变差-轴向应力曲线；

5)确定轴向应变差-轴向应力曲线的最大值，即为裂纹闭合应力。

进一步地，S5步骤中，小梯形面积的计算与求和采用数据编程处理计算。

与现有技术相比，本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法具有如下特色和优点：

第一：该方法定义的裂纹闭合能量参数物理意义明确，采用该指标评价岩石的初始微裂纹损伤更加直观。岩石内部之所以会存在一定的初始损伤，主要是由于岩石内部在风化作用或者动力扰动作用下会发育较多的微裂纹，微裂纹的存在会显著增大岩石压缩过程中应力-应变曲线起始阶段的非线性，本方法定义裂纹闭合能量为岩石在压缩荷载作用下有效闭合岩石内部初始微裂纹所需要的能量，该定义与造成岩石内部初始微裂纹损伤的主要因素直接关联，用其评价岩石内部的初始微裂纹损伤更加直观合理。

第二：采用裂纹闭合能量确定岩石的初始微裂纹损伤更加客观。已有方法在确定岩石的初始微裂纹损伤时具有较强的人为经验性，比如，通过细观切片观测岩石薄片内部发育的微裂纹来评价岩石内部的初始微裂纹损伤，虽然方法直观，然而微裂纹密度的判断具有较强的人为干扰性，而本方法通过计算裂纹闭合能量的数值大小来判断岩石的初始微裂纹损伤可以剔除人为因素的影响，因此具有很强的客观性。

第三：由于该方法具有很强的客观性，使得该方法易于编程操作，尤其是裂纹闭合能量的计算，可以通过现有编程语言通过简单代码得以实现，保证了批量工作的效率。

附图说明

图1为本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法之岩石在压缩作用下的典型应力-应变曲线示意图；

图2为图1中基于面积分解法确定的裂纹闭合能量放大图；

图3为实施例中不同取样深度下裂纹闭合能量示意图；

图4为图3中确定的裂纹闭合能力与取样深度关系示意图。

具体实施方式

为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法做进一步详细说明。

图1为本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法之岩石在压缩作用下的典型应力-应变曲线示意图；图2为图1中基于面积分解法确定的裂纹闭合能量放大图。由图1、图2看出，本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法，具体采用以下步骤得出裂纹闭合能量，进而确定岩石损伤大小：

S1：对岩石进行单轴压缩试验，记录相应的轴向应力-轴向应变曲线；轴向应力-轴向应变曲线上的坐标原点设为O点；

S2：根据S1步骤得出的轴向应力-轴向应变曲线，采用轴向应变响应方法计算确定岩石的裂纹闭合应力，在轴向应力-轴向应变曲线上确定裂纹闭合应力点，裂纹闭合应力点设为A点，A点与轴向应变坐标(横坐标)对应相交的点即为图1中所示E点；

S3：在图1中标出裂纹闭合能量，根据裂纹闭合能量的定义，横坐标为轴向应变，纵坐标为轴向应力，两者的乘机即为能量，因此，图1中OAE的面积即为裂纹闭合能量；

S4：在裂纹闭合能量OAE面积内绘制等距的竖向辅助线，将其划分为若干个小梯形，如图2所示，为保证轴向应力-轴向应变曲线OA段在小梯形中可以近似为直线，辅助线之间的距离应尽可能小，本发明实施例中建议绘制200条以上的辅助线；

S5：计算各个小梯形的面积，然后求和，求和所得的总面积即为岩石的裂纹闭合能量。由于绘制的辅助线尽可能的密集，因此图2中每一个条块的面积可以近似等效为梯形，计算各个小梯形的面积，然后求和计算得到OAE区域的总面积，该面积即为测试岩石的裂纹闭合能量，根据该数值即可直观评价岩石的初始微裂纹损伤大小。

由图1所示的本发明一种采用裂纹闭合能量确定岩石损伤的方法之岩石在压缩作用下的典型应力-应变曲线示意图看出，图中OA段表征岩石在加载过程中的裂纹闭合阶段，此时轴向应力-轴向应变曲线表现为明显的非线性特征，即轴向应力-轴向应变曲线呈现凹形特点。A点表示岩石在加载过程中内部的微裂纹已有效闭合，此时对应的轴向应力为裂纹闭合应力，A点后岩石压缩进入线弹性变形阶段，轴向应力-轴向应变曲线表现出直线段特点。由此可见，裂纹闭合能量对应轴向应力-轴向应变曲线到底A点时岩石压缩机所做的功，由于轴向应力-轴向应变曲线的横坐标为轴向应变(轴向位移)，纵坐标为轴向应力，因此裂纹闭合能量可以表征为图示OAE的面积，即图示中阴影面积的大小。

实施例

在深部取样时，由于深部高应力集中会导致取芯内部存在较大的初始微裂纹损伤，本实施例通过不同深度钻孔岩样实验数据进行说明。钻孔所取得的岩石为花岗岩，取样深度分别为0m、240m、420m，图3为不同深度岩样测得的轴向应力-轴向应变曲线，图4为不同深度岩样计算得到的裂纹闭合能量。

步骤1：根据试验结果绘制不同深度取样岩石的轴向应力-轴向应变曲线(见图3所示)，采用轴向应变响应方法计算确定不同深部取样岩石的裂纹闭合应力，0m、240m、420m不同深度取样岩石的裂纹闭合应力分别标记为A、B、C；

步骤2：沿裂纹闭合应力点向横坐标做垂直辅助线，0m、240m、420m不同深度取样岩石辅助线与横坐标相交的点分别为D、E、F，于是可以在图中标出岩石的裂纹闭合能量，0m、240m、420m不同深度取样岩石裂纹闭合能量分别为OAD、OBE、OCF；

步骤3：在确定的裂纹闭合能量面积区域内部绘制等距竖向辅助线以求得裂纹闭合能量所标定面积的大小，根据该方法确定的不同深度取样岩石裂纹闭合能量分别为15.75kPa、28.23kPa、46.49kPa；

步骤4：基于求得的裂纹闭合能量评价不同岩石的初始微裂纹损伤，绘制不同深度取样岩石的裂纹闭合能量演化曲线(见图4所示)，可以看出，420m取样时岩石的裂纹闭合能量最大，表明该深度取样时岩样内部的初始微裂纹损伤最大，0m取样时岩石的裂纹闭合能量最小，表明地表取样时岩样内部的初始微裂纹损伤最小。

深部取样时，由于地应力较大，钻头在钻进的过程中会使岩芯内部产生较大的应力集中，从而造成岩样内部的微裂纹发育，导致岩样的微裂纹损伤，这一现象与本发明评价的结果一致，表明采用本发明提供的基于裂纹闭合能量方法确定岩石损伤的方法是可行的；另外，岩样中的初始微裂纹损伤越大，试验测试得到的岩石强度和弹性模量越低，这也与图3中显示的结果吻合较好，也验证了本发明方法的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明中所给出的O、A、B、C、D、E、F、M各点，也只是为了便于描述，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。