一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法

摘要

本发明提供一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，涉及岩石力学技术领域。该方法首先对岩石试样进行预压，再对预压后的岩石试样独立加载真三轴应力，直至真三轴应力均达到设定的最小主应力水平；然后保持最小主应力不变，循环加载最大主应力和中间主应力，直至达到设定的加载循环次数，完成对岩石试样的循环加载；记录试验过程中获取的应力—应变曲线数据和应变—时间曲线数据，进而确定岩石试样在不同应力条件下的蠕变变形量和蠕变速率。该方法通过设计合理的应力加载路径，可以在一个试样上完成不同应力水平的蠕变试验；且能够同时研究中间主应力对硬岩长期力学特性以及最大主应力对硬岩长期力学特性的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其涉及一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法。

背景技术

岩石力学试验是研究岩石力学特性的一种有效手段，是推动岩石力学领域发展的基础。岩石作为地下采矿、深埋隧道及核废料处置、二氧化碳封存等的天然载体，其承载能力和长期稳定性直接影响工程的进度以及作业人员的安全。深部工程进行开挖后，在高应力下表现出连续的强蠕变特性，不仅变形量大，且“时间效应”明显。一般认为，完整硬岩很难产生较大的流变。然而，众多深部工程实践表明，深部环境下硬岩也具有明显的时间效应。深部高应力导致硬岩流变现象显著，给支护工作带来很大困难。此外，量化岩石变形随时间变化的特性也有助于揭示脆性地壳的演化规律和岩石动力学的复杂性。因此，开展硬岩长期力学特性研究具有十分重要的意义。

在外部条件不变的情况下，岩石的应力或应变随时间而变化的现象称作岩石流变，主要包括蠕变、松弛、弹性后效和长期强度等。在岩石的室内流变试验中，对于蠕变试验有两种不同的加载方式，即分别加载和分级加载。

分别加载要求拥有完全相同的岩样，且要求试验仪器和试验条件完全相同，存在极大困难；分级加载所得数据需根据玻尔兹曼线性叠加原理进行处理，假设岩石是理想的线性蠕变体，这与实际情况并不完全相符。

以上所述的分别加载方式和分级加载方式，除了耗时较长之外，还存在两个不可忽视的问题：一是岩石受所处地质条件的影响，造成岩样矿物成分和微观结构的不均匀性，离散性较大。虽可采用声波检测系统挑选波速相近的岩石作为试验岩样，尽可能减小由于离散性过大而导致试验结果失真，但要做到岩样完全相同仍十分困难；二是，一次蠕变试验所得到的数据太少，通常需要做一系列试验才能满足要求，无疑在很大程度上增加了试验成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，以实现能够快速研究硬岩长期力学特性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，

对岩石试样进行预压；

对预压后的岩石试样独立加载真三轴应力，直至真三轴应力均达到设定的最小主应力水平；

保持最小主应力不变，循环加载最大主应力、中间主应力，直至达到设定的加载循环次数，完成对岩石试样的循环加载；

记录试验过程中获取的应力—应变曲线数据和应变—时间曲线数据，确定岩石试样在不同应力条件下的蠕变变形量和蠕变速率。

包括以下步骤：

步骤1：将取自工程现场的方柱体硬岩试样安装至进行蠕变试验的试验机密封缸内，对方柱体岩石试样进行预压；预压的压力为1kN～5kN；

步骤2：对方柱体硬岩试样独立加载真三轴应力，直至真三轴应力均达到设定的最小主应力水平，此后整个试验过程中保持不变，直至试验结束；

采用应力控制方式，以《岩石真三轴试验规程》建议的加载速率对方柱体硬岩试样同步独立加载真三轴应力，直至这三个应力均达到设定的最小主应力水平；

步骤3：保持中间主应力不变，加载最大主应力，直至最大主应力达到设定的第一级最大主应力应力水平；

采用应力控制方式，以与步骤2相同的速率加载最大主应力，直至达到设定的第一级最大主应力应力水平；其中，设定的第一级最大主应力应力水平，不小于同等围压下硬岩试样开展常规三轴压缩试验破坏强度的60％；

步骤4：保持最大主应力不变，梯级加载中间主应力至设定的每一级中间主应力应力水平；

采用应力控制方式，以与步骤2相同的速率梯级加载中间主应力至设定的每一级中间主应力应力水平，并在达到每一级应力水平时，中间主应力保持一段时间不变，两相邻级别的中间主应力应力水平的差值不能超过设定的阈值，且每一级中间主应力保持的时间以及两相邻级别的中间主应力应力水平的差值均相等；

步骤5：将中间主应力从最高级应力水平卸载至最小主应力水平，然后加载最大主应力，直至达到设定的下一级最大主应力应力水平；

采用应力控制方式，将中间主应力以与步骤2相同的速率卸载至最小主应力水平，然后以相同速率加载最大主应力，直至到达设定的下一级最大主应力应力水平，两级最大主应力应力水平的差不大于同等围压下试样开展常规三轴压缩试验破坏强度的10％；

步骤6：重复执行步骤4-5，直至达到设定的加载循环次数，完成对方柱体岩石试样的循环加载；

以上步骤4-5为一个加载循环，重复执行步骤4-5，直至达到设定的加载循环次数，试验结束；同一试验中加载循环的次数根据试验方案确定；

步骤7：记录试验过程中获取的应力—应变曲线数据和应变—时间曲线数据，从两条曲线中获取不同中间主应力条件下最大主应力方向的蠕变变形量和蠕变速率，以及不同最大主应力条件下中间主应力方向的蠕变变形量和蠕变速率。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，可以快速研究中间主应力和最大主应力对硬岩长期力学特性影响。通过设计合理的应力加载路径，可以在一个试样上完成不同应力水平的蠕变试验，能够节省大量时间；通过只在一个试样上进行试验，较好地解决了由于岩样本身结构的不均匀性而导致试验结果离散性过大的问题；在同一个真三轴蠕变试验内，既研究了中间主应力对硬岩长期力学特性的影响，也研究了最大主应力对硬岩长期力学特性的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的对方柱体岩石试样进行预压的加载方式示意图；

图3为本发明实施例提供的应力加载路径示意图；

图4为本发明实施例提供的应力路径示意图和对应的应变-时间曲线示意图，其中，(a)为应力路径示意图；(b)为应变-时间曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以岩石伺服控制真三轴试验机为例，采用本发明的研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，对岩石试样循环加卸真三轴应力，确定该岩石试样的真三轴蠕变特性。

本实施例中，一种研究岩石真三轴蠕变特性的循环加卸载应力路径方法，

对岩石试样进行预压；

对预压后的岩石试样独立加载真三轴应力σ

保持最小主应力σ

记录试验过程中获取的应力—应变曲线数据和应变—时间曲线数据，确定岩石试样在不同应力条件下的蠕变变形量和蠕变速率。

如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：将取自工程现场的方柱体硬岩试样安装至进行蠕变试验的岩石伺服控制真三轴试验机密封缸内，对方柱体岩石试样进行预压；加载方式如图2所示，岩样必须为规则的方柱体，保证其可以进行真三轴试验。对方柱体岩石试样进行预压，对试样施加的预压为1kN～5kN。

步骤2：对方柱体硬岩试样独立加载真三轴应力σ

采用应力控制方式，以《岩石真三轴试验规程》建议的加载速率对方柱体硬岩试样同步独立加载真三轴应力σ

步骤3：保持中间主应力σ

采用应力控制方式，以与步骤2相同的速率加载最大主应力σ

步骤4：保持最大主应力σ

采用应力控制方式，以与步骤2相同的速率梯级加载中间主应力σ

步骤5：将中间主应力σ

采用应力控制方式，将中间主应力σ

步骤6：重复执行步骤4-5，直至达到设定的加载循环次数，完成对方柱体岩石试样的循环加载；

以上步骤4-5为一个加载循环，重复执行步骤4-5，直至达到设定的加载循环次数，试验结束；同一试验中加载循环的次数根据试验方案确定；

本实施例中，以上步骤3-6循环加卸载应力路径如图3所示。

步骤7：记录试验过程中获取的应力—应变曲线数据和应变—时间曲线数据，从两条曲线中获取不同中间主应力σ

本实施例中，循环加卸载的应力路径和对应的应变-时间曲线如图4所示。

本发明方法可以快速研究中间主应力σ

在岩石蠕变试验中，不同的试验条件以及岩样存在内在差异性微观结构，常常导致得出的试验结果差异性很大。

通过本发明方法，首先以恒定加载速率达到最大主应力σ

当然，硬岩脆性蠕变是由不可逆的裂纹增长驱动的，试样的微观结构状态不断演化，贯穿整个蠕变试验，因此硬岩蠕变一直都是不稳定的状态过程。裂纹的产生通常以平行于最大主应力σ

基于此，本发明方法可以快速研究中间主应力σ

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。