一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法
【专利摘要】本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法。岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，具体步骤如下：(1)、制作岩石试样；(2)、安装应变传感器；(3)、施加初始围压；(4)、施加轴压至临近峰值强度；(5)、卸围压使岩样初次破裂；(6)、增量施加二次围压；(7)、增量施加二次轴压；(8)、保持轴压恒定，观测蠕变二次破裂。本发明能够真实地反映高应力区工程岩体开挖后破裂并支护加固后继续承载并长期变形的受力特征，操作方法简单，便捷，可用于深埋高应力区的水电、交通、能源、矿山等领域的岩石峰后力学行为研究。
【专利说明】一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法。
【背景技术】
[0002]随着西部大开发等相关战略的实施，岩石工程不断兴建，地下空间的开挖尺度越来越大，埋深也不断增加。比如锦屏二级水电站4条引水隧道，最大埋深2525m，是世界上埋深与规模均为最大的水工引水隧洞。矿产资源与石油开采也向深部延伸，许多矿山开采深度已达1200m以上。高埋深伴随的高地应力作用常使得岩爆危险性增加，巷(隧)道变形持续时间长。深部岩石工程不同于其它浅部岩石工程的显著特点是:工程开挖后，围岩应力状态已超过其峰值强度，导致围岩变形破坏形式有别于浅部岩体工程。在高应力区岩石在开挖瞬间承受的载荷往往超过其峰值强度，进入破裂状态，而由于人工的锚固支护措施使应力场发生改变仍能继续承受载荷。这些破裂岩石在支护作用下的安全性如何，经过长时间的蠕变作用是否再次破裂，岩石破裂后蠕变力学响应将直接影响到工程的安全性。
[0003]岩石的“峰后”变形阶段，指其所受的应力状态超过其峰值强度后的后续变形阶段。岩石的“蠕变”，指岩石在恒载作用下，变形随时间增长而增大的性质。目前，关于岩石蠕变性质和峰后力学性质研究已有一些进展，但是之前关于岩石蠕变性质研究都是针对峰前蠕变，关于岩石峰后再在蠕变作用下再次破裂的问题未见相关研究。
[0004]目前，国内关于岩石峰后力学性质的相关研究现状如下:
[0005]1、《破裂砂岩蠕变试验研究》一文介绍了破裂砂岩的蠕变试验方法(参见《岩石力学与工程学报》2010年第5期，作者:郭臣业，等)，该方法是在围压恒定作用下施加轴压直至岩石破裂，然后卸除轴压，保持围压不变再进行蠕变试验。没有考虑到实际工程中的支护加固措施相当于围压增加的问题。
[0006]2、《考虑围压影响的岩石峰后力学行为试验研究与对策分析》一文进行考虑围压影响的岩石峰后力学行为研究(参见《武汉勘察设计》2013年第3期，作者:尹军涛，等)，该方法有效地分析了岩石峰后强度随围压的变化影响规律，没有考虑长时间的蠕变再破裂问题。
[0007]3、《岩石峰后注浆加固前后力学特性单轴试验研究》一文介绍了一种岩石峰后注浆加固研究岩石单轴力学特性的方法(参见《地下空间与工程学报》2007年第I期，作者:王汉鹏，等)，该方法有效地解决了岩石峰后进行加固的效果，但无法反映长期的蠕变作用。
[0008]4、《岩石蠕变破裂过程及其响应比变化的实验研究》一文介绍了岩石蠕变破裂过程及其响应比变化的实验研究(参见《地震学报》2010年第3期，作者:施行觉，等)，该方法研究了岩石在蠕变作用下的初次破裂，没有涉及岩石破裂峰后变形阶段的蠕变再次破裂。
【发明内容】
[0009]为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，以模拟工程岩体破裂峰后阶段加固后继续蠕变的力学特性，为分析破裂岩石峰后蠕变再破裂规律提供研究手段，为深部裂隙岩体的长期支护加固效果评价提供技术支持。
[0010]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0011]岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，具体步骤如下:
[0012](I)、制作岩石试样
[0013](2)、安装应变传感器
[0014](3)、施加初始围压
[0015](4)、施加轴压至临近峰值强度
[0016](5)、卸围压使岩样初次破裂
[0017](6)、增量施加二次围压
[0018](7)、增量施加二次轴压
[0019](8)、保持轴压恒定，观测蠕变二次破裂。
[0020]相对于现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0021](I)、采用先卸围压使试样破裂继而增加围压和持续恒定轴压的加载路径，观测破裂试样的后续蠕变破裂力学行为，能够真实地反映高应力区工程岩体开挖后破裂并支护加固后继续承载并长期变形的受力特征。该方法的加载路径真实地反映考虑时间因素的工程岩体开挖后的应力状态和受力情况，是一种符合工程现场原型的应力加载路径方法。
[0022](2)、操作方法简单，便捷。
[0023](3)、可用于深埋高应力区的水电、交通、能源、矿山等领域的岩石峰后力学行为研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法流程示意图；
[0025]图2为本发明的加载路径示意图；
[0026]图3为本发明的轴向应变-时间关系曲线示意图。
[0027]具体实施方法
[0028]地下洞室围岩开挖后，在原始地应力基础上，径向应力增加，法向应力卸荷。本方法采用与工程岩体开挖时等同的应力路径，围压模拟法向应力，轴压模拟径向应力。工程岩体开挖后破坏主要是由法向应力卸荷引起，因此本方法通过在初始应力状态下卸围压使试样破裂进入峰后变形阶段，然后再加围压模拟工程岩体中的衬砌等支护加固措施，最后施加轴压进行蠕变试验模拟工程岩体长期的变形与破裂规律。因此，该方法的加载路径真实地反映考虑时间因素的工程岩体开挖后的应力状态和受力情况，是一种符合工程现场原型的应力加载路径方法。
[0029]如图1所示，岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，具体步骤如下:
[0030]1、制作岩石试样，方法如下:
[0031]采用岩石取芯机对原始岩块进行钻孔取芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块；
[0032]采用岩石切割机对长岩块的端面进行切割得到端面平整的圆柱形试样；
[0033]采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，使圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05毫米，获得直径与高度之比为1:2的圆柱形试样。
[0034]2、安装应变传感器，方法如下:[0035]将圆柱形试样的顶面、底面分别安装一个与圆柱形试样同直径的圆柱形钢垫块，顶面、底面的圆柱形钢垫块均与圆柱形试样共轴线；
[0036]将圆柱形钢垫块与试样外面套上热缩套管，用电吹风热烘热缩套管I分钟，使热缩套管收缩与试样和垫块贴紧；
[0037]在上下圆柱形钢垫块处安装轴向应变传感器以测量轴向应变，在试样中部安装横向应变传感器测量环向应变；
[0038]用不锈钢管箍分别箍住顶面、底面的圆柱形钢垫块，使热缩套管内的试样密封，防止渗油影响试样的力学性能。
[0039]3、施加初始围压，方法如下:
[0040]将连接好轴向应变传感器与横向应变传感器的试样放入流变仪围压室内固定好；如图2所示，按0.05~0.1MPa/s的加载速率通过流变仪油液系统给试样施加初始围压σ 31，σ 31可取15~20MPa，记录轴向应变ε:和横向应变ε 3，该阶段对应图2中的O~&时间段；
[0041]图2中，h~t7为不同的加载时刻；加载速率可直接由流变仪进行控制，如σ3Ι取15MPa，加载速率取 0.05MPa/s，则 t! = 15/0.05=300s ；
[0042]4、施加轴压至临近峰值强度，方法如下:
[0043]对轴向应变ε i和横向应变ε 3数据清零，按位移加载速率0.001~0.002mm/s，对试样施加轴向压力σ i至 0.8 σ 1F~0.9 σ 1F ( σ 1F为围压σ 31常规三轴试验时轴压σ ^的峰值强度)，模拟深部岩体的初始应力状态，轴向压力σ ?加载到0.8 σ 1F~0.9 σ 1F的时刻记为七2，同时记录轴向应变S1和横向应变ε3，并绘制轴压01~时间1围压03~时间七、轴向应变ε ?~时间t关系曲线，该阶段对应图2中的h~t2时间段；
[0044]5、卸围压使岩样初次破裂，方法如下:
[0045]保持轴压恒定逐步卸围压至试样破裂，模拟深部岩体开挖后围岩应力状态超过峰值强度产生裂隙，破裂时围压记为σ 3F，岩样破裂时刻记为t3，之后试样进入峰后阶段，该阶段对应图2中的t2~t3时间段；
[0046]监测轴压~时间曲线，试样破裂之后，图2曲线中轴压σ i有一定程度的跌落，σ i跌落后的时刻记为t4，此时若不进行后续操作则试样中裂隙逐渐扩展并最终形成宏观断裂，将无法观测到峰后蠕变阶段，该阶段对应图2中的t3~t4时间段；
[0047]6、增量施加二次围压，方法如下:
[0048]立即施加围压增至σ 3F+A σ 3( σ 3F+A σ 3可设置为初始围压σ 3 I的1.5~2.0倍，△ σ3为施加的增量围压)并保持恒定，模拟岩体的锚固支护措施使周围应力场重新分布形成新的稳定结构，围压增至σ 3F+A σ 3的时刻记为t5，该阶段对应图2中的t4~t5时间段；
[0049]7、增量施加二次轴压，方法如下:
[0050]继续施加轴压至σ 1F，轴压达到σ 1F的时刻记为t6，该阶段对应图2中的t5~t6时间段；
[0051]8、保持轴压恒定，观测蠕变二次破裂，方法如下:
[0052]保持轴压σ 1F恒定，持续加载3~5天，模拟深部工程岩体锚固后的长期变形与强度特性，继续观测并记录轴向应变S1和横向应变ε3，观测ε i~t关系曲线和试样再破裂情况，该阶段对应图2中的t6?t7时间段，若蠕变期间试样再次破裂则试验结束；
[0053]若试样未破裂，继续施加轴压至1.1 σ 1F并保持恒定，持续加载3?5天，若试样还未破裂继续循环加载并使之蠕变3?5天直至试样蠕变破裂。
【权利要求】
1.一种岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，具体步骤如下: (1)、制作岩石试样 (2)、安装应变传感器 (3)、施加初始围压 (4)、施加轴压至临近峰值强度 (5)、卸围压使岩样初次破裂 (6)、增量施加二次围压 (7)、增量施加二次轴压 (8)、保持轴压恒定，观测蠕变二次破裂。
2.根据权利要求1所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，制作岩石试样，方法如下: 采用岩石取芯机对原始岩块进行钻孔取芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块； 采用岩石切割机对长岩块的端面进行切割得到端面平整的圆柱形试样； 采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，使圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05毫米，获得直径与高度之比为1:2的圆柱形试样。
3.根据权利要求1-2所述的岩`石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，安装应变传感器，方法如下: 将圆柱形试样的顶面、底面分别安装一个与圆柱形试样同直径的圆柱形钢垫块，顶面、底面的圆柱形钢垫块均与圆柱形试样共轴线； 将圆柱形钢垫块与试样外面套上热缩套管，用电吹风热烘热缩套管I分钟，使热缩套管收缩与试样和垫块贴紧； 在上下圆柱形钢垫块处安装轴向应变传感器以测量轴向应变，在试样中部安装横向应变传感器测量环向应变； 用不锈钢管箍分别箍住顶面、底面的圆柱形钢垫块，使热缩套管内的试样密封，防止渗油影响试样的力学性能。
4.根据权利要求1-3所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，施加初始围压，方法如下: 将连接好轴向应变传感器与横向应变传感器的试样放入流变仪围压室内固定好；按0.05~0.1MPa/s的加载速率通过流变仪油液系统给试样施加初始围压σ 31，σ 31可取15~20MPa，记录轴向应变ε:和横向应变ε 3。
5.根据权利要求1-4所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，施加轴压至临近峰值强度，方法如下:对轴向应变S1和横向应变83数据清零，按位移加载速率0.001~0.002mm/s，对试样施加轴向压力σ i至0.8 σ 1F~0.9 σ 1F，模拟深部岩体的初始应力状态，轴向压力σ ?加载到0.8 σ 1F~0.9 σ 1F的时刻记为t2，同时记录轴向应变ε:和横向应变ε 3，并绘制轴压σ ?~时间t、围压σ 3~时间t、轴向应变ε ?~时间t关系曲线，σ 1F为围压σ 31常规三轴试验时轴压σ i的峰值强度。
6.根据权利要求1-5所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，卸围压使岩样初次破裂，方法如下:保持轴压恒定逐步卸围压至试样破裂，模拟深部岩体开挖后围岩应力状态超过峰值强度产生裂隙，破裂时围压记为σ 3F，岩样破裂时刻记为t3，之后试样进入峰后阶段，监测轴压~时间曲线，试样破裂之后，轴压O1有一定程度的跌落，O1跌落后的时刻记为t4。
7.根据权利要求1-6所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，增量施加二次围压，方法如下:立即施加围压增至σ3Ρ+Λ σ3，Λ σ 3为施加的增量围压，并保持恒定，模拟岩体的锚固支护措施使周围应力场重新分布形成新的稳定结构，围压增至。3疗Λ O3的时刻记为t5。
8.根据权利要求1-7所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，增量施加二次轴压，方法如下:继续施加轴压至σ 1F，轴压达到σ 1F的时刻记为t6。
9.根据权利要求1-8所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，保持轴压恒定，观测蠕变二次破裂，方法如下:保持轴压σ 1F恒定，持续加载3~5天，模拟深部工程岩体锚固后的长期变形与强度特性，继续观测并记录轴向应变h和横向应变ε3，观测ε i~t关系曲线和试样再破裂情况，若蠕变期间试样再次破裂则试验结束；若试样未破裂，继续施加轴压至1.1 σ 1F并保持恒定，持续加载3~5天，若试样还未破裂继续循环加载并使之蠕变3~5天直至试样蠕变破裂。
10.根据权利要求1-9所述的岩石峰后再蠕变破裂的测试方法，其特征在于，加载速率可直接由流变仪进行控 制，σ 3F+A σ 3可设置为初始围压σ3Ι的1.5~2.0倍。
【文档编号】G01N3/08GK103822828SQ201410052975
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】杨文东, 张艳美, 李术才, 俞然刚, 程旭东, 张玉, 井文君 申请人:中国石油大学(华东)