专利名称：硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法
技术领域：
本发明涉及一种硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法。
背景技术：
随着地下资源的大力开发和水电工程建设的快速发展，地下洞室结构及水电工程 的长期稳定性越来越引起人们的重视和关注。大型水电工程及地下洞室的选址都考虑到安 全稳固的目的而选择在坚硬的岩基上，如花岗岩、大理岩、辉绿岩等。而这些强度高的岩石 时常伴随着脆性的特点，如花岗岩、辉绿岩。为有效评价大型地下工程开挖施工后的围岩长 期稳定性，除采用理论研究和数值计算方法外，还需要更多地依靠室内流变试验以获取流 变力学参数，以有效揭示坝基岩体和地下洞室围岩的力学特性和变形时效规律。进行岩石流变试验，涉及到试样的安装步骤、加载的应力路径和荷载分级等问题。 目前国内外的流变试验针对软岩的成果较多，而硬脆性岩石的相对较少。由于软岩一般不 具有脆性，并且在较小的荷载下就能产生流变现象，不存在流变门槛值，因此软岩的流变试 验设计方式难以满足硬脆性岩石流变试验的需要。目前国内针对硬脆性岩石的流变试验 成果较少，仅有的几篇文献主要是针对绿片岩和花岗岩进行的，而这两种岩石的硬脆性特 点都没有辉绿岩明显。绿片岩的单轴抗压强度为60MPa左右，远小于辉绿岩的140MPa ；而 花岗岩的脆性也没有辉绿岩明显，花岗岩的单轴压缩破坏主要以劈裂破坏和剪切破坏相结 合，而辉绿岩在单轴压缩下表现为明显的劈裂破坏，并且伴随着表面小碎块的崩裂。已有的 硬脆性岩石的流变试验方法也没有统一的标准，如三轴流变试验中围压的取值、试验分级 加载的分级数、采样点的时间间隔、长期强度的确定方法等。硬脆性岩石的流变试验中，若 围压太小或不施加围压，常常会显现不出流变现象而脆性断裂；若围压太大，又需要施加较 大的轴向荷载才能使岩石产生加速蠕变至破坏，从而观察到岩石的衰减蠕变、等速蠕变和 加速蠕变完整的三阶段曲线，而这要求流变试验机要有足够大的吨位以满足其出力水平， 对流变试验机的吨位和稳定性是一个严峻的考验。若试验分级数太少，容易区分不出蠕变 应力阀值或是产生不了加速蠕变阶段；若试验分级数太多，则延长了试验时间，耗费巨大的 人力物力。若采样点的时间间隔设置过小，会导致采样点数量巨多而占聚大量内存及硬盘 空间，甚至会使软件产生数据溢出而产生错误，同时在后期的数据处理中也会因为庞大的 数据量而造成不必要的麻烦。因此提出一种合理有效的关于硬脆性岩石的三轴流变试验工 艺与方法对发展和提高硬岩流变试验技术具有十分重要的理论意义和工程应用价值。目前国内相关硬脆性岩石的流变试验方法的研究现状如下(1)《河海大学学报》1997年第2期介绍了三峡大坝地基花岗岩的蠕变试验方法， 该文中试验数据采用千分表记录，不能自动采集，也未能给出加速蠕变段曲线。(2)《岩石力学与工程学报》2003年第10期介绍了一种花岗岩单轴流变特性试验 方法。该方法采用单轴流变方式，无法避免由于岩石脆性导致的结果离散性，而且由于采用 百分表记录数据，无法采集到加速蠕变阶段的数据。(3)《岩土力学》2005年第4期介绍了一种绿片岩的三轴流变试验方法，该方法采用围压恒定分级加轴压的方式，但是没有明确说明加载的分级数如何确定。(4)《岩土力学》1980年第1期介绍了一种软弱岩体流变特性方法及长期强度测 定法，该方法采用非稳定蠕变，但是对于变形量很小的硬岩在判断上存在较多的人为因素， 无法保证结果的准确性。(5)《岩土力学》2006年第5期介绍了一种红砂岩的流变特性方法及长期强度测 定法，该方法提出根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定，但是该方法未能把岩石 看作一个整体，只是从轴向应变或横向应变单方面考虑，无法保证整体变形的统一性。(6)河海大学博士论文《高拱坝拱肩槽岩石流变力学特性试验研究及其长期稳定 性分析》介绍了一种稳态蠕变速率确定岩石的长期强度的方法，该方法对于稳态蠕变不明 显的高硬度岩石适用性较差，无法保证结果的准确性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种有效的进行硬脆性岩石三 轴流变试验的工艺和方法，该工艺和方法具有试验效果好、试验时间合理、数据结果简单可 靠的优点。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法，包括以下步骤1)确定硬脆性岩石单轴抗压强度的大小，采用三轴流变方式进行加载。2)确定试验的围压大小、试验加载分级及加载方式。围压O3建议取值为
<σ3<^σ^,ο。 为岩石的单轴抗压强度；试验加载分级建议6 8级，根据已有的研
究成果，对坚硬岩石假定其长期强度σ (0. 7-0. 8) σ。，因此，三轴流变试验的轴压σ工拟 定为 0. 5 σ c>0. 55 σ c>0. 6 σ c>0. 65 σ c>0. 7 σ c>0. 75 σ c>0. 8 σ ε 或0. 85 σ c, σ c 为岩石的瞬时
破坏强度；加载方式采用分级加卸载。3)试验前先将岩样与上、下垫块安装在同一条轴线上，上下垫块和岩样外部套热 缩套管，热缩套管经电吹风热烘数分钟后会收缩与岩样和垫块贴紧；热缩套管上下各用不 锈钢管箍套牢、密封，防止渗油。4)将装好轴向与横向应变传感器的岩样放入岩石流变仪的自平衡三轴压力室中， 并调整好中心位置，使岩样的轴线与试验机加载中心线重合，避免偏心受压造成岩石加载 的非均勻性，从而影响岩石流变试验结果。5)按0.05MPa/s的加载速率通过油液系统给岩样施加至预定的围压值，使岩样 处于静水压力下，到达围压的设定值，并等待变形稳定后，轴向变形和横向变形值赋零。按 0. 05 0. IMPa/s施加轴向偏应力，当加载至设定的第1级应力水平时，保持岩样轴向偏应 力不变，测量并记录岩样轴向应变与时间的关系和各级偏应力水平的持续时间(根据试样 的应变速率或应变速率变化情况予以确定，但尽量使之等同)。试验点采样间隔Ih以内，每IOmin采一个点，Ih以后每小时采一个点，后期临近破 裂水平时，为得到加速蠕变曲线，每Imin采一个点。6)在第1级应力水平下的变形稳定后，改加至设定的第2级应力水平，并维持这一 应力水平恒定，测量并记录岩样轴向应变与时间关系，在变形稳定后进入下一级应力水平，直至试验完成为止；7)取出岩样，描述其破坏形式，整理试验数据，就可以得到不同围压下各级应力水 平对应的岩石蠕变变形与时间的关系，并用残余应变法确定岩石的长期强度。残余应变法 是根据岩石分级加卸载流变过程中产生的不可逆变形确定其长期强度的方法，岩石在加卸 载流变过程中会产生不可逆变形，其中一部分是由于瞬时作用产生的，还有一部分是在流 变过程中产生的，当轴向应力水平达到或超过其长期强度以后，流变过程中产生的不可逆 变形会有较大幅度的增长，卸载后的残余变形也会相应增大。因此这种把残余变形量突变 时的应力水平强度作为岩石长期强度的方法称为残余应变法。所述步骤1)中试验采用三轴流变试验方式，围压为σ3，轴压为O1,轴向偏应力为
0 1_0 3。所述步骤3)中采用超薄高强度的热缩管和不锈钢管箍密封试块，防止试验过程 中渗油或者因热缩管变形影响岩石的变形测量。本发明具有如下技术优势(1)合理确定了试验围压的大小，避免了硬脆性岩石局部破裂造成的变形突变，又 尽可能减小了试验机的轴向出力水平，降低了试验机的要求并提高了流变试验的稳定性。(2)合理设置了试验加载的分级数，既满足了试验要求，又减少了试验时间，节约 了试验的人力、物力。(3)合理设置和记录了采集的时间间隔，减少了庞大的数据信息并保证了试验数 据的有效性和可用性。(4)采用加卸载流变的残余应变法分析流变长期强度，取得良好的效果。(5)该发明可广泛应用于交通、水电、能源、矿山、国防等工程领域的硬脆性岩石的 流变试验中。
图1为硬脆性岩石流变试验的工艺流程图；图2为三轴流变加载装置示意图；图3为分级加卸载的轴压加载路径图；图4为分级加卸载下轴向应变图；图5为单级加卸载循环产生的残余应变图；图6为分级加卸载的残余应变确定长期强度图；图中，1.底座，2.卡箍，3.岩样座，4.轴向变形传感器，5.横向变形传感器，6.岩 样，7.压力室，8.垫块。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。一种硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法，包括以下步骤1)确定硬脆性岩石单轴抗压强度的大小，采用三轴流变方式进行加载。2)确定试验的围压大小、试验加载分级及加载方式。围压O3建议取值为CU ^ocu, 0。u为岩石的单轴抗压强度。试验加载分级建议6 8级，根据已有的
研究成果，对坚硬岩石假定其长期强度O =O= (0. 7-0. 8) O。，因此，三轴流变试验的轴压O i 拟定为 0. 5 σ c>0. 55 σ c>0. 6 σ c>0. 65 σ c>0. 7 σ c>0. 75 σ c>0. 8 σ。或0. 85 σ c, σ。为岩石的瞬 时破坏强度。加载方式采用分级加卸载，如图3。3)试验前先将岩样6与上、下垫块8安装在同一条轴线上，岩样6放置于岩样座 3上，岩样座3设置于底座1上；上下垫块8和岩样6外部套热缩套管。热缩套管经电吹风 热烘数分钟后会收缩与岩样和垫块贴紧；热缩套管上下各用不锈钢管箍套牢、密封，防止渗 油，如图2。4)将装好轴向变形传感器4与横向变形传感器5的岩样6放入岩石流变仪的自平 衡三轴压力室7中，压力室7通过卡箍2设置于底座1上，并调整好中心位置，使岩样的轴 线与试验机加载中心线重合，避免偏心受压造成岩石加载的非均勻性，从而影响岩石流变 试验结果，如图2。5)按0. 05MPa/s的加载速率通过油液系统给岩样6施加至预定的围压值，使岩样 处于静水压力下，到达围压的设定值，并等待变形稳定后，轴向变形和横向变形值赋零。按 0. 05 0. IMPa/s施加轴向偏应力，当加载至设定的第1级应力水平时，保持岩样轴向偏应 力不变，测量并记录岩样轴向应变与时间的关系和各级偏应力水平的持续时间(根据试样 的应变速率或应变速率变化情况予以确定，但尽量使之等同)；试验点采样间隔Ih以内，每IOmin采一个点，Ih以后每小时采一个点，后期临近破 裂水平时，为得到加速蠕变曲线，每Imin采一个点。6)在第1级应力水平下的变形稳定后，改加至设定的第2级应力水平，并维持这一 应力水平恒定，测量并记录岩样轴向应变与时间关系，在变形稳定后进入下一级应力水平， 直至试验完成为止。7)取出岩样，描述其破坏形式，整理试验数据，就可以得到不同围压下各级应力水 平对应的岩石蠕变变形与时间的关系(如图4)。8)用残余应变法确定岩石的长期强度，残余应变法是根据岩石分级加卸载流变过 程中产生的不可逆变形确定岩石长期强度的方法。岩石在加卸载流变过程中会产生不可逆 变形，其中一部分是由于瞬时作用产生的，还有一部分是在流变过程中产生的，当轴向应力 水平达到或超过其长期强度以后，流变过程中产生的不可逆变形会有较大幅度的增长，卸 载后的残余变形也会相应增大。因此这种把残余变形量突变时的应力水平强度作为岩石长 期强度的方法称为残余应变法。图5为单级加卸载循环产生的不可逆变形。岩体的不可逆变形包含了瞬时塑性变 形<和粘塑性变形ε。ρ。但是只有当应力水平超过了临界应力％后，岩体才附加了粘塑性
变形~ =J^i，这部分变形在卸载后也不能恢复，因此ο > ο 3后岩石的残余应变会有 "2
显著增加。这个残余变形的转折点可作为岩石的长期强度，如图6。本发明中所用到的装置均为现有的设备，在此不再赘述。
权利要求
1. 一种硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法，其特征在于，包括以下步骤1)确定硬脆性岩石单轴抗压强度的大小，采用三轴流变方式进行加载，其中，围压为 σ3，轴压为O1,轴向偏应力为O1-O3;2)确定试验的围压大小、试验加载分级及加载方式；其中，围压O3取值为^cu <σ3<^σαι, ο cu为岩石的单轴抗压强度；加载方式采用分级加卸载，试验加载分级为6 8级；根据已有的研究成果，对坚硬岩石假定其长期强度σ (0. 7 0. 8) σ。，因 此，三轴流变试验的轴压σ i分级分别为0. 5 σ。、0. 55 σ。、0. 6 σ。、0. 65 σ。、0. 7 σ。、0. 75 σ c、 0. 8 ο。或0. 85 σ。，ο。为岩石的瞬时破坏强度；3)试验前先将岩样与上、下垫块安装在同一条轴线上，上下垫块和岩样外部套热缩套 管，热缩套管经电吹风热烘至收缩后与岩样和垫块贴紧；热缩套管上下各用不锈钢管箍套 牢、密封，防止渗油；4)将装好轴向与横向应变传感器的岩样放入岩石流变仪的自平衡三轴压力室中，并调 整好中心位置，使岩样的轴线与试验机加载中心线重合，避免偏心受压造成岩石加载的非 均勻性，从而影响岩石流变试验结果；5)按0.05MPa/s的加载速率通过油液系统给岩样施加至预定的围压值，使岩样处于静 水压力下，到达围压的设定值，并等待变形稳定后，轴向变形和横向变形值赋零；按0. 05 0. IMPa/s施加轴向偏应力，当加载至设定的第1级应力水平时，保持岩样轴向偏应力不变， 测量并记录岩样轴向应变与时间的关系和各级偏应力水平的持续时间；试验点采样间隔Ih以内，每IOmin采一个点，Ih以后每小时采一个点，后期临近破裂水 平时，为得到加速蠕变曲线，每Imin采一个点；6)在第1级应力水平下的变形稳定后，改加至设定的第2级应力水平，并维持这一应力 水平恒定，测量并记录岩样轴向应变与时间关系，在变形稳定后进入下一级应力水平，直至 试验完成为止；7)取出岩样，描述其破坏形式，整理试验数据，得到不同围压下各级应力水平对应的岩 石蠕变变形与时间的关系，并用残余应变法确定岩石的长期强度。
全文摘要
本发明涉及一种硬脆性岩石的三轴流变试验工艺与方法，包括以下步骤1)确定硬脆性岩石瞬时三轴抗压强度，采用三轴流变方式进行加载；2)确定试验的围压大小、试验加载分级并采用循环加卸载的加载方式；3)用热缩套管和不锈钢管箍密封岩样，防止渗油；4)施加围压至设定值，稳定后施加第一级轴压，合理设置记录数据的时间间隔；5)变形稳定后继续分级施加轴向应力直至试验完成；6)用残余应变法确定岩石的长期强度。本发明给出了围压的合理取值，最大程度避免了因岩石局部破裂而造成的变形突变；合理地确定了试验加载分级，既能得到岩石的蠕变应力门槛值又能得到加速蠕变曲线；提出了用加卸载流变试验的残余应变法确定硬脆性岩石的长期强度。
文档编号G01N3/00GK102128741SQ20101055506
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者张强勇, 曾纪全, 李文纲, 杨文东, 王建洪, 贺如平, 陈芳 申请人:山东大学