一种岩石力学非均质度的测试评价方法

技术领域

本发明属于深部地下工程岩石力学非均质度特性测试领域，具体涉及一种岩石力学非均质度的测试评价方法。

背景技术

非均质度是评价岩石材料强度、变形和自蓄能能力的重要指标，特别是对于深部地下工程领域而言，在不同的工程背景条件下，对于岩石材料的非均质度有不同的要求。如地下防冲击工程对岩石材料的要求为强度高但破坏的级联性要突出，这就要求岩石材料的非均质度突出，进而避免围岩出现岩爆动力破坏形式。

国内外对岩石非均质度的评价主要有岩心观测法，X-CT扫描法、测井识别法、铸体薄片法等。这些方法是采用微观组分去分析岩石的均质度，并未考虑岩石因组构差异带来的力学非均质度，从本质上看，岩石材料的力学非均质度才对地下工程围岩的宏观性状有更显著影响。

因此目前现有的方法对于岩石的非均质度评价并不全面，并且目前的岩石材料非均质评价方法如扫描电镜法，更多的是岩石细观结构的视觉非均质特征，而未深入去表征岩石的力学非均质度。然而，岩石的力学非均质度是影响岩石在具体工程中力学响应的主要因素。

发明内容

针对现有的岩石非均质度评价方法无法深入表征岩石内部材料的力学非均质度问题，本发明旨在提供一种岩石力学非均质度的测试评价方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。

一种岩石力学非均质度的测试评价方法，所述方法包括如下步骤：

S1.选择待测地层；

S2.对所述待测地层进行钻探获取岩芯柱；

S3.将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；

S4.将所述岩石试样进行区域划分；

S5.在所述岩石试样上布置一定数量的应变片，在劈裂条件下记录所述应变片测量的数据；

S6.根据记录的数据计算均值、标准差及变异系数，由所述变异系数来评价所述岩石的力学非均质度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S2具体为对所述待测地层进行垂直钻探取芯，连续取3～10根长度为20～30cm的所述岩芯柱。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S3具体为对所有岩芯柱进行加工，得到直径为25～75mm，厚度为10～40mm的圆盘状的所述岩石试样。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S4具体为对所述圆盘状岩石试样进行区域划分，标记出试验区和应力集中区。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，将所×述圆盘状岩石试样的中轴线上距离其顶部和底部10mm以内的区域作为应力集中区，其它区域划作为实验区。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述实验区连续布置一定数量的规格为5mm×3mm的所述应变片，每个所述应变片之间的距离为1～5mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S6具体为：

S61.对所述岩石试样进行劈裂实验，对所述中轴线处被裂纹通过并破坏的应变片在破裂前夕对应的应变值进行记录，并记录相应的破坏的所述应变片的个数；

S62.根据步骤S61记录的所述应变值及应变片的个数，获得不同应力条件下应变值的均值和标准差。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述变异系数为所述均值与标准差的比值与百分比的乘积。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述变异系数的值越小，则所述岩石试样的力学非均质度被评价为越好；所述变异系数的值越大，则表明所述岩石试样的力学非均质度被评价为越差。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述变异系数小于等于20％时，则所述岩石试样的力学非均质度被评价为良好；所述变异系数大于20％且小于等于50％时，则所述岩石试样的力学非均质度被评价为中等；所述变异系数大于50％时，则所述岩石试样的力学非均质度被评价为较差。

本发明的有益技术效果

本发明提供的实施例，用于对岩石的力学非均质度进行评价，首先选择待测地层；其次，对所述待测地层进行钻探获取岩芯柱；再其次，将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；再其次，将所述岩石试样进行区域划分；再其次，在所述岩石试样上布置一定数量的应变片，在劈裂条件下记录所述应变片测量的数据；最后，根据记录的数据计算均值、标准差及变异系数，由所述变异系数来评价所述岩石的力学非均质度。在相同受力条件下根据变形的离散度获得岩石的力学响应非均质度特征；岩石试样制作方便，计算简单，实用性强，有助于定量评价岩石内部的非均质度，促进地下工程围岩质量的评价与分类，更为有效的评估岩石动力灾害风险。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明实施例中的方法流程示意图；

图2(a)、2(b)、2(c)为本发明实施例中的三块岩石试样的断裂应变片产生的应变值示意图；

图3为本发明实施例中的三块岩石试样的变异系数示意图；

图4本发明实施例中的应变片在岩石试样上的布置示意图；

图5本发明实施例中的岩石试样中横向拉应力等值线示意图。

其中，附图标记说明如下：

1岩石试样；2线形荷载施加装置；3受压夹持弹簧；4防侧滑杆；5可沿防侧滑杆滑移的压头；6应变片。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了更好的说明本发明，以某深部建井地区的变辉长岩为实验对象，研究了不同变质程度下，变辉长岩劈裂变形的空间变异性变化趋势。

该方法基于制得的圆盘状岩石试样在劈裂条件下，除岩石试样顶底部外在中轴线上横向变形均处于受张拉状态，且拉应力相等的原理，如图4所示。线形荷载施加装置2和受压夹持弹簧3均设置有两个，圆盘状岩石试样1的上下两端均与两个线形荷载施加装置2一一对应连接，两个受压夹持弹簧3的一端均连接岩石试样1，通过两个受压夹持弹簧3固定圆盘状岩石试样1，防止圆盘状岩石试样1倾倒；

同时两个线性荷载施加装置2还与设置在圆盘状岩石试样1上下两端的两可沿防侧滑杆滑移的压头5一一对应相连接，两可沿防侧滑杆滑移的压头5承受压力荷载，将压力荷载传递给所述线形载荷施加装置2，使两个线性荷载施加装置2给圆盘状岩石试样1施加线性荷载，使圆盘状岩石试样1受压，并且使得圆盘状岩石试样1沿其中轴线处发生劈裂。

两个受压夹持弹簧3的另一端与分别设置在圆盘状岩石试样1左右两侧的两防侧滑杆4相连接，左右两防侧滑杆4也用于固定圆盘状岩石试样1，防止圆盘状岩石试样1发生倾倒，影响实验结果。

左右两防侧滑杆1、上下两可沿防侧滑杆滑移的压头5及两受压夹持弹簧3均互相连接；使得荷载的施加沿着圆盘状岩石试样1的中轴线位置，同时与所述受压夹持弹簧3相连接，防止所述可沿防侧滑杆滑移的压头5发生倾。

采用环氧树脂胶将所述应变片6贴于圆盘状岩石试样1的实验区表面，用于监测所述圆盘状岩石试样1在载荷作用下的应变。

本发明从劈裂岩石中轴线变形的空间离散度出发，提出了一种定量测评岩石组构非均质度的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.选择待测地层；

S2.对所述待测地层进行钻探获取岩芯柱；

S3.将所述岩芯柱进行加工制得岩石试样；

S4.将所述岩石试样进行区域划分；

S5.在所述岩石试样上布置一定数量的应变片，在劈裂条件下记录所述应变片测量的数据；

S6.根据记录的数据计算均值、标准差及变异系数，由所述变异系数来评价所述岩石的力学非均质度。

具体地，所述岩石非均质度的评价方法为劈裂岩石变形离散度系数法，包括以下步骤：

1.1标准试样的选择和制作

(1)地层选择：选择深部待测地层作为将要钻孔取样的区域；

(2)岩芯钻探：对将要评价力学非均质度的待测地层进行垂直钻探取芯，连续取3～10根长度为10～50cm岩芯柱，作为优选，本发明连续取5根长度为20～30cm的岩芯柱，对于同一地层各岩芯柱的取样距离不要超过50cm，存在上述岩芯柱的地层为地层，而非破碎带地层。取样间距不超过50cm为了保证所采样的岩芯柱来自同一地层。

(3)岩石试样1的制备：将步骤(2)得到的岩芯柱进行加工，按照岩石力学试验标准统一加工得到直径为25～75mm，厚度为10～40mm的圆盘状的所述岩石试样。本发明中优选加工直径为50mm，厚度为25mm圆盘状的所述岩石试样1；

(4)根据劈裂实验下岩石试样1的受力特点，将步骤(3)得到的岩石试样1进行区域划分，并标记出实验区和应力集中，进行区域划分是因为，顶底部受力集中，应力变化梯度大。中轴线处远离顶底部区域，拉应力几乎相等，只有在拉力相等的条件下，来观测实验区某一小区域变形差异才能评价岩石试样力学非均质度差异。

(5)将所述岩石试样1中轴线上距离顶底部各10mm以内的区域划分为应力集中区；

(6)将所述岩石试样1中轴线上距离顶底部各10mm以外的区域划分为实验区，将所述岩石试样1划分为实验区和应力集中区，在实验区布置所述应变片，便于分析岩石试样的应变。

(7)本发明采用三块圆盘状岩石试样1，在三块所述岩石试样1的中轴线实验区位置分别连续布置相同规格和相同位置的数量为N的5.0(mm)×3.0(mm)的应变片，N大于等于1，本发明中采用7个，每个应变片间的距离为2mm，采用劈裂实验，通过压力机对三块岩石试样进行加载，将三块岩石试样1从中部压坏，压坏的结果为岩石试样1中轴线处产生劈裂裂纹，在加载过程中实时记录应变片6的应变值；为充分测量岩石试样实验区内的某一小区域内的应变变化，获得更多个应变值，因此在实验区采用尺寸尽可能小的应变片6。

1.2应变片数据的处理

(1)在劈裂实验下，可知圆盘状的岩石试样1横向受载为拉应力，且中轴线上远离顶底部区域的拉应力大小近乎相等，由拉应力等值线图也可看出这一特征。在拉应力相等的条件下，变形的非均质度便可反映岩石力学特征的力学非均质度。

(2)三块岩石试样最终均破裂，形态为劈裂轴线中心产生一条宏观裂纹，宏观裂纹将岩石试样1一分为二，宏观裂纹穿越放置在此处的应变片6，应变片6也随之断裂，应变片6在损坏之后，其应变值会变得无限大，其断裂后产生的数据不予统计。对于所述岩石试样1中轴线处劈裂裂纹没有通过的应变片，将该应变片得到的应变值也不予以考虑，进行剔除，只统计被宏观裂纹通过并被破坏的应变片在宏观破裂前夕产生的应变值，宏观破裂前夕设置有多个时刻，在各时刻均可以获取应变片6的应变值；

(3)设宏观破裂前夕各时刻的每个应变片6的应变值分别为

1.3岩石非均质度的定量表征

进一步地，同样受力条件下岩石内部组构的力学非均质度，导致了岩石试样1中轴线上横向变形的非协调性。为了定量的反映不同区域间同样受载水平下变形的非协调性，引入变形空间变异系数C

进一步地，本发明采用所述变形空间变异系数C

该表达式表明，所述变异系数C

如图3所示的三块岩石试样的力学非均质度均不相同，将所述变异系数C

优选地，本发明对于孔隙度较小的岩石如火成岩，采用502胶水将应变片粘接到岩石试样表面，而对于孔隙度较大的岩石如砂岩，泥岩等，则采用环氧树脂将应变片粘接到岩石试样表面；

实施例1

本发明以深部建井地区的变辉长岩为例，其方法包括如下步骤：

A1：详细查明所述变辉长岩所在的地层的地址构造，选择测评区域，保证岩芯具有良好的代表性；

A2：详细查明所述变辉长岩的岩性、工程特性、风化程度，评价围岩质量等级；

A3：对将要评价均质度的地层进行垂直钻探取芯，连续取5根长度为20～30cm的岩芯柱，对于同一地层各岩芯柱的取样距离不要超过50cm；

A4：将上述步骤得到的岩芯柱进行加工，统一加工为直径为50mm，厚为25mm的圆盘岩石试样，从而获得多个劈裂圆盘状的岩石试样；

A5：将上述步骤获得的劈裂圆盘岩石试样，在岩石试样表面划分试验区和应力集中区，距离圆盘岩石试样劈裂中轴线顶底部各10mm以内的区域为应力集中区，距离中轴线顶底部10mm以外的区域为试验区，如图5所示；

A6：在试验区位置连续布置3个规格为5.0(mm)*3.0(mm)的应变片，每个应变片的距离为3mm，采用环氧树脂将应变片粘接到岩石试样表面；

A7：岩石试样加载过程中，采用防侧滑杆4与可沿防侧滑杆滑移的压头5稳定岩石试样，防止其侧滑或岩石试样倾倒影响实验结果；

A8：为保证实验数据结果的准确性，对20块岩石试样进行劈裂实验并且得到其变形数据；

A9：对于上述岩石试样中轴线处裂纹没有通过的应变片，将该应变片得到的数据进行剔除，只统计被裂纹通过并被破坏的应变片对应的数据；

A10：因破坏时岩石试样产生劈裂劈缝，使得应变片的数据具有很大的离散性，因此岩石试样的变形只计算岩石试样在破坏前夕各应变片对应的数据；

A11：根据上述劈裂实验得到的应变结果以及所述岩石变异系数，将岩石试样划分为非均质度好、非均质度中等和非均质度差三种情况。将变异系数小于等于20％的岩石试样划分为非均质度好的岩石试样；

进一步地，将变异系数大于20％且小于等于50％之间的划分为非均质度中等的岩石试样，将变异系数大于50％以上的岩石试样划分为非均质度差的岩石试样。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。