一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种岩石长期强度参数确定方法，特别是涉及一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法，属于岩石力学与工程技术领域。

背景技术

岩石的蠕变是指岩石的应力-应变-时间三者之间的相互关系，蠕变力学特性与岩土工程长期稳定性和安全性密切相关，是研究岩石力学特性不可忽略的重要性质之一。岩石典型的蠕变过程分为三个阶段：衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。当施加的荷载低于某一界限值时，岩石在该荷载的长期作用下只出现蠕变的前两个阶段，应变最终趋于稳定数值，岩石一般不会发生破坏；当施加的荷载超过界限值，在此荷载的长期作用下，由于应变的不断累积，岩石最终发生蠕变破坏，此界限荷载定义为岩石的长期强度。岩体工程的破坏多发生在工程运营期间，因此，对岩石长期强度参数的确定和研究对岩体工程的建设及其长期稳定性的评估具有重要的工程指导意义。

岩石的长期强度与岩体工程的长期稳定性和安全性密切相关，其大小的确定一直是岩土工程领域较难的问题。常见的岩石长期强度参数确定的方法有2类：(1)绘制应力-应变等时曲线簇，由曲线的拐点确定长期强度；(2)根据稳态速率-应力水平的关系曲线，由曲线的拐点确定长期强度。这两类方法具有明显的局限性，当岩石蠕变特征不明显时，曲线拐点变得模糊，通过目测来确定其位置从而获得岩石的长期强度参数会导致一定程度的误差。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法，实现曲线拐点选取明确、大幅降低数据误差的目的。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法，包括以下步骤：

1)制作试样；

选取完整岩块，取得岩芯，对岩芯进行加工，制备得到圆柱形的岩石标准试样；

2)三轴蠕变力学试验；

对岩石标准试样进行设定围压下的三轴蠕变力学试验，获得三轴蠕变试验结果；其中，三轴蠕变试验结果包括各级偏应力值和各级稳态环向应变率值；

3)由三轴蠕变试验结果绘制稳态环向应变率-应力水平关系曲线；

将各级偏应力值作为横坐标，各级稳态环向应变率值作为纵坐标，绘制于平面直角坐标系上；用函数对数据进行拟合，得到稳态环向应变率-应力水平关系曲线；

4)确定稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点；

将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的上、下两部分直线段延伸组成一个角，作该角的角平分线，该角平分线与稳态环向应变率-应力水平关系曲线交于第一交点，确定该第一交点为稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点；

5)基于卡萨格兰德法得到岩石的长期强度参数；

通过拐点向右和斜下方分别做平行于横坐标的水平线和朝向横坐标延伸的稳态环向应变率-应力水平关系曲线的切线，该水平线和该切线于拐点处组成两线夹角，再作出两线夹角的角平分线，将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的下部分直线段向右延伸而与两线夹角的角平分线交于第二交点，确定该第二交点的横坐标所对应的偏应力值为岩石的长期强度参数。

本发明进一步设置为：所述岩石标准试样的尺寸为直径50mm、高100mm。

本发明进一步设置为：所述三轴蠕变力学试验通过全自动三轴流变伺服仪进行。

本发明进一步设置为：所述三轴蠕变力学试验采用单级加载或多级逐级加载的加载方式。

本发明进一步设置为：所述三轴蠕变力学试验采用多级逐级加载的加载方式时，试验中的每级偏应力增量依据常规瞬时三轴压缩试验结果确定，蠕变极限偏应力的大小确定为瞬时峰值强度的60％～90％，施加的第一级偏应力荷载为瞬时峰值强度的40％～50％；在多级逐级加载的过程中，逐级增加每级偏应力增量，当偏应力荷载达到或接近确定的蠕变极限偏应力时，逐级减少每级偏应力增量；每级偏应力增量的施加方式采用0.1cm³/min，每级流变荷载蠕变时间由岩石的轴向应变率来确定。

本发明进一步设置为：所述步骤3)中的用函数对数据进行拟合，得到稳态环向应变率-应力水平关系曲线，具体为，分别用指数函数和幂函数对数据进行拟合，选取拟合相关系数大于拟合函数相关系数阈值的函数所拟合得到的拟合曲线作为稳态环向应变率-应力水平关系曲线。

本发明进一步设置为：所述拟合函数相关系数阈值为0.9。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明首先由三轴蠕变试验结果绘制稳态环向应变率-应力水平关系曲线，然后将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的上、下两部分直线段延伸组成一个角，作该角的角平分线，该角平分线与稳态环向应变率-应力水平关系曲线交于第一交点，确定该第一交点为稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点；再基于卡萨格兰德法得到岩石的长期强度参数，实现曲线拐点选取明确、大幅降低数据误差的目的。其中，采用稳态环向应变率-应力水平关系曲线，其较稳态轴向应变率-应力水平关系曲线更精确，因为环向蠕变曲线比轴向蠕变曲线更加敏感，环向蠕变曲线的加速蠕变起始时间早于轴线蠕变曲线；更重要的是，稳态环向应变率-应力水平关系曲线后阶段包含数据点较少，一个数据点有问题，对拟合曲线的后阶段的走势产生较大的影响，但是本发明采用基于卡萨格兰德法得到岩石的长期强度参数，具体体现在将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的下部分直线段向右延伸而与两线夹角的角平分线交于第二交点，确定该第二交点的横坐标所对应的偏应力值为岩石的长期强度参数，从而实现减少对应力较大对应的曲线后阶段的依赖、以及降低因为后阶段曲线所含数据点少带来的误差，取得良好效果。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为采用本发明方法的实施例1确定稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点的示意图；

图2为采用本发明方法的实施例1确定岩石的长期强度参数的示意图；

图3为采用传统稳态速率法的实施例2确定岩石的长期强度参数的示意图；

图4为采用传统应力-应变等时曲线法的实施例3确定岩石的长期强度参数的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

实施例1：

本发明提供一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法，包括以下步骤：

1)制作试样；

选取一块完整无缺陷的红砂岩岩块，用取芯机钻取岩芯，对岩芯进行加工，制备得到直径50mm、高100mm的圆柱形的岩石标准试样。

2)三轴蠕变力学试验；

通过全自动三轴流变伺服仪，采用多级逐级加载的加载方式，对岩石标准试样进行6MPa设定围压下的三轴蠕变力学试验，获得三轴蠕变试验结果；其中，三轴蠕变试验结果包括各级偏应力值和各级稳态环向应变率值。

三轴蠕变力学试验的加载方式还有单级加载，鉴于单级加载方式需要多台流变伺服仪进行长时间的蠕变试验，所耗费的时间和费用比较多，因此实际试验过程中很少被采用。

采用多级逐级加载的加载方式时，实验室温度控制在20度左右，以避免温度对蠕变试验的影响。本实施案例所用红砂岩岩性较软，每级荷载蠕变的时间为48h。在多级逐级加载的过程中，逐级增加每级偏应力增量，当偏应力荷载达到或接近确定的蠕变极限偏应力时，逐级减少每级偏应力增量，以避免由于偏应力荷载的施加而导致岩样破坏；当加载到最后一级偏应力等于34.3MPa时，红砂岩试样经过15.9h后发生破坏。

3)由三轴蠕变试验结果绘制稳态环向应变率-应力水平关系曲线；

三轴蠕变试验结果涉及的红砂岩试样各级偏应力和对应稳态环向应变率值如表1所示。

表1

将各级偏应力值作为横坐标，各级稳态环向应变率值作为纵坐标，绘制于平面直角坐标系上；分别用指数函数和幂函数对数据进行拟合，选取拟合相关系数较高的指数函数所拟合得到的拟合曲线作为稳态环向应变率-应力水平关系曲线，如图1实线部分所示。其中，拟合相关系数是反映拟合结果和原来数据相关关系密切程度的指标，相关系数较高则说明数据点比较符合函数的走势。

4)确定稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点；

将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的上、下两部分直线段延伸组成一个角(即为交点A处)，作该角的角平分线，该角平分线与稳态环向应变率-应力水平关系曲线交于第一交点B，确定该第一交点B为稳态环向应变率-应力水平关系曲线的拐点，如图1所示；

5)基于卡萨格兰德法得到岩石的长期强度参数；

如图2所示，通过拐点B向右和斜下方分别做平行于横坐标的水平线B1和朝向横坐标延伸的稳态环向应变率-应力水平关系曲线的切线B2，该水平线B1和该切线B2于拐点B处组成两线夹角，再作出两线夹角的角平分线B3，将稳态环向应变率-应力水平关系曲线的下部分直线段向右延伸而与两线夹角的角平分线B3交于第二交点C，确定该第二交点C的横坐标所对应的偏应力值为岩石的长期强度参数，即确定点C横坐标对应的偏荷载的大小32.9MPa作为本实施案例所用红砂岩在围压为6MPa下的长期强度参数的值。

实施例2：

采用传统稳态速率法获得岩石的长期强度参数，具体是，实施例2中岩石试样的制作，三轴蠕变试验的步骤和注意事项，以及获得稳态环向应变率-应力水平关系曲线的方法与实施例1相同，不同点在于对曲线进行处理得到长期强度参数的方法不一样。

如图3所示，传统稳态速率法将稳态应变率-应力水平关系曲线上、下两部分直线段延伸交于点A，把点A作为曲线的拐点，则点A横坐标对应的偏荷载的大小33.4MPa作为本实施案例所用红砂岩在围压为6MPa下的长期强度参数的值。

实施例3：

采用传统应力-应变等时曲线法获得岩石的长期强度参数，具体是，实施例3中岩石试样的制作，三轴蠕变试验的步骤和注意事项与实施例1相同，不同点在于对三轴蠕变试验结果进行处理得到的曲线以及对曲线进行处理得到长期强度参数的方法不一样。

实施例3中对三轴蠕变试验结果进行处理得到应力-应变等时曲线，如图4所示。应力-应变等时曲线法把等时曲线的拐点处偏荷载大小作为长期强度参数。通过目测，点D被确定为本实施案例中等时曲线的拐点，其横坐标对应的偏荷载的大小32.2MPa作为本实施案例所用红砂岩在围压为6MPa下的长期强度参数的值。

通过对实施例1～实施例3三种不同方法确定的长期强度参数的值进行比较，本发明提供的基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法所确定的长期强度参数大小适中，介于两种传统方法之间，具有一定的合理性；同时能够克服传统方法的缺点，与传统确定方法相比，有效改善了传统确定方法拐点不明确、误差大等缺点，可应用于岩石工程长期稳定性分析，为工程施工和长期运营提供参考。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。