一种定量刻画岩体渐进破坏力学参数的方法

技术领域

本发明属于岩体力学和工程地质领域，特别是涉及一种定量刻画岩体渐进破坏力学参数的方法。

背景技术

岩体的变形和强度是岩体的基本性质，是岩体力学和工程地质学科研究中最核心的内容。岩石变形强度通常由试验获得，基于单轴、常规三轴或剪切获得应力应变曲线，在应力应变曲线上取峰值强度作为岩体的强度(Ulusay，2014)。然而实际上由于岩体的非均匀性，岩体的破坏并不是一蹴而就的，而是要经历一个内部裂纹的起裂、扩展、贯通，最后达到整体破坏这么一个渐进破坏的过程(Brace，1966；Bieniawski，1967；Martin，1997)，在这个过程中岩体的变形和强度特征随着裂纹的扩展而变化。因此仅仅用峰值强度显然不能表征岩体整个渐进破坏过程的力学行为特性，至今仍没有岩体渐进破坏过程中变形强度参数获取的方法，在岩体渐进破坏过程中变形强度参数的定量变化规律仍然是悬而未决的关键难点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种定量刻画岩体渐进破坏力学参数的方法，包括以下步骤：

S1.选取目标岩体，基于岩石力学机，设置预定围压，通过持续增强围压的方式，对所述目标岩体加载围压至所述预定围压，通过所述岩石力学机的轴向位移控制模式，对所述目标岩体加载轴压至所述目标岩体的第一应力峰值，获得所述目标岩体的第一峰值强度，卸载所述轴压至静水压力状态，通过所述岩石力学机的轴向位移控制模式，对所述目标岩体重新加载轴压至第二峰值，获得所述目标岩体的第二峰值强度，卸载所述轴压至静水压力状态，重复上述过程直至所述岩体进入残余强度阶段，其中，在进行加载和卸载轴压的过程中，基于所述岩石力学机，采集所述目标岩体的轴向应变值和环向应变值，基于声发射采集设备，采集所述目标岩体在加载和卸载轴压过程中的岩体内部裂隙的声发射信号；

S2.基于所述应力峰值，依据所述轴向应变值和环向应变值，构建所述目标岩体的应力应变曲线模型；

S3.基于所述应力应变曲线模型，依据应力上升强度50％处的斜率，构建所述目标岩体的岩体损伤变形模量模型，用于定量反映所述目标岩体的变形参数变化规律，基于所述应力应变曲线模型，通过所述预定围压和不同塑性应变对应的峰值强度，构建所述目标岩体的莫尔圆模型，基于所述莫尔圆模型的莫尔圆公切线，构建所述目标岩体的岩体强度参数变化模型，用于定量反映所述目标岩体的岩体强度参数变化规律。

优选地，所述S1包括，通过应变计采集所述应力峰值。

优选地，所述S1包括，所述持续增强围压的速度，为每分钟增强固定围压值。

优选地，所述S1包括，所述轴向位移控制模式的位移速度为0.06mm/min。

优选地，所述应力峰值的判断方法为：在卸载所述轴压的过程中，轴向应力下降值超过峰值的98％，下降幅度超过2KN，所述峰值为所述应力峰值。

优选地，所述预定围压包括至少三个等级的围压。

优选地，加载至所述预定围压时，维持所述预定围压两分钟后，加载所述轴压；

优选地，所述S1包括，在进行加载和卸载轴压的过程中，采用所述声发射采集设备采集所述岩体内部裂隙声发射信号时，对所述声发射采集设备设置门槛值，所述门槛值范围为35db-45db；

采集所述岩体内部裂隙声发射信号与所述目标岩体的加载和卸载过程同时进行。

优选地，所述对声发射采集设备还包括定位设置，所述定位设置的类型为三维定位，所述三维定位需依据相邻两传感器之间的最大间距设置事件定义值、闭锁值和过定义值，所述三维定位的波速设置为2500-3500m/s。

优选地，所述S3还包括，基于所述应力应变曲线模型，获得应力上升强度50％处的斜率，构建所述目标岩体的岩体损伤变形模量模型，基于所述应力应变曲线模型，获得每次循环加载的应力应变曲线峰值点，构建不同损伤岩体的强度变化曲线，基于所述应力应变曲线模型和所述岩体强度变化曲线，构建所述莫尔圆模型，基于所述莫尔圆模型，构建所述目标岩体的岩体强度参数变化模型。

本发明的积极进步效果在于：

本发明获取岩体渐进破坏的变形强度参数变化规律,通过多级围压下的不等幅循环加载和卸载方法，每次循环即表示对不同损伤岩体的加载过程，可以获得不同损伤岩体的变形模量和峰值强度，从而可以得到变形模量和强度随着渐进破坏的变化曲线,实现对变形模量的定量刻画；对强度曲线做进一步分析，提取不同围压不同损伤下对应的试样强度绘制莫尔圆，取莫尔圆的公切线即为强度包络线，根据多组强度包络线获得多组强度参数，获得渐进破坏中不同损伤条件下岩体的强度参数变化曲线，从而实现对强度参数的定量刻画，本发明所述方法快捷、准确、简单，适用性强，易于推广。

附图说明

图1为本发明所述围压为低围压的示意图；

图2为本发明所述围压为高围压的示意图；

图3为本发明所述不同围压变形模量随着渐进破坏的变化示意图；

图4为本发明所述不同围压强度随着渐进破坏的变化图；

图5为本发明所述当损伤为0时的莫尔圆强度包络线图；

图6为本发明所述的损伤为ε

图7为本发明所述的渐进破坏中不同损伤条件下岩体强度参数变化规律图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

岩体因为非均匀特征，破坏具有渐进性，一般伴随着微裂纹的起裂、扩展、贯通，至今依然没有定量刻画岩体材料的这一渐进破坏过程中变形强度变化规律的方法。本申请发明了方法，能获取岩体渐进破坏的变形强度参数变化规律。首先，开展了多级(至少3级)围压下的不等幅循环加卸载，每次循环即表示对不同损伤岩体的加载过程，因此可以获得不同损伤岩体的变形模量和峰值强度，从而可以得到变形模量和强度随着渐进破坏的变化曲线,实现对变形模量的定量刻画；然后对强度曲线做进一步分析，提取不同围压不同损伤(以损伤为0和ε

如图1-7所示，本实施例提供一种定量刻画岩体渐进破坏力学参数的方法，包括以下步骤：

S1.选取目标岩体，基于岩石力学机，设置预定围压，通过持续增强围压的方式，对所述目标岩体加载围压至所述预定围压，通过所述岩石力学机的轴向位移控制模式，对所述目标岩体加载轴压至所述目标岩体的第一应力峰值，获得所述目标岩体的第一峰值强度，卸载所述轴压至静水压力状态，通过所述岩石力学机的轴向位移控制模式，对所述目标岩体重新加载轴压至第二峰值，获得所述目标岩体的第二峰值强度，卸载所述轴压至静水压力状态，重复上述过程直至所述岩体进入残余强度阶段，其中，在进行加载和卸载轴压的过程中，基于所述岩石力学机，采集所述目标岩体的轴向应变值和环向应变值，基于声发射采集设备，采集所述目标岩体在加载和卸载轴压过程中的岩体内部裂隙的声发射信号；

S2.基于所述应力峰值，依据所述轴向应变值和环向应变值，构建所述目标岩体的应力应变曲线模型；

S3.基于所述应力应变曲线模型，依据应力上升强度50％处的斜率，构建所述目标岩体的岩体损伤变形模量模型，用于定量反映所述目标岩体的变形参数变化规律，基于所述应力应变曲线模型，通过所述预定围压和不同塑性应变对应的峰值强度，构建所述目标岩体的莫尔圆模型，基于所述莫尔圆模型的莫尔圆公切线，构建所述目标岩体的岩体强度参数变化模型，用于定量反映所述目标岩体的岩体强度参数变化规律。

所述S1包括，通过应变计采集所述应力峰值。

所述S1包括，所述持续增强围压的速度，为每分钟增强固定围压值。

所述S1包括，所述轴向位移控制模式的位移速度为0.06mm/min。

所述应力峰值的判断方法为：在卸载所述轴压的过程中，轴向应力下降值超过峰值的98％，下降幅度超过2KN，所述峰值为所述应力峰值。

所述目标围压包括至少三个等级的围压。

加载至所述预定围压时，维持所述预定围压两分钟后，加载所述轴压。

所述S1包括，在进行加载和卸载轴压的过程中，采用所述声发射采集设备采集所述岩体内部裂隙声发射信号时，对所述声发射采集设备设置门槛值，所述门槛值范围为35db-45db；

采集所述岩体内部裂隙声发射信号与所述目标岩体的加载和卸载过程同时进行。

所述对声发射采集设备还包括定位设置，所述定位设置的类型为三维定位，所述三维定位需依据相邻两传感器之间的最大间距设置事件定义值、闭锁值和过定义值，所述三维定位的波速设置为2500-3500m/s。

所述S3还包括，基于所述应力应变曲线模型，获得应力上升强度50％处的斜率，构建所述目标岩体的岩体损伤变形模量模型，基于所述应力应变曲线模型，获得每次循环加载的应力应变曲线峰值点，构建不同损伤岩体的强度变化曲线，基于所述应力应变曲线模型和所述强度变化曲线，构建所述莫尔圆模型，基于所述莫尔圆模型，构建所述目标岩体的岩体强度参数变化模型；

以下根据具体的技术方法，阐述本发明的具体技术步骤：

技术的原理和基本流程：

基于岩石力学机，辅以声发射采集、应变计等监测设备，开展不等幅的循环加卸载。

1、先对试样加载，当采集到岩体内部破裂的声发射信号，说明岩体内部已有新的裂纹扩展；

2、卸载到初始的应力状态，因为岩体的内部损伤，此时岩体的应力应变曲线回不到原点，在应变轴上与初始应变的差值即为对应此次循环中岩体内部损伤产生的塑性应变；

3、在此基础上重复上述步骤的加载，多次循环，即可得到不同累积损伤岩体的应力应变曲线及其峰值强度。

具体的技术流程：

如图1-2所示，开展不同围压下的不等幅循环加卸载。围压至少3级(比如1MPa、15MPa、30MPa)，具体流程如下：

(1)以一定速度1MPa/min加载围压，加载至预定值后维持两分钟使其稳定；

(2)使用轴向位移控制模式以一定速度0.06mm/min的速度将样本加载至第一个峰值，为了防止错判峰值，当轴向应力下降值超过峰值的98％且下降幅度超过2KN时，将该峰值视为应力峰值，采用轴向位移控制模式以一定速度0.06mm/min的速度卸载轴向应力至静水压力状态；

(3)使用轴向位移控制模式以一定加载速度0.06mm/min将样品重新加载到第二个峰值。当轴向应力下降时，再次卸下轴向应力。重复此循环，直到样品进入残余强度阶段。在循环加卸载开始之前设置声发射参数，首先设置门槛值，门槛值一般选择为35db-45db，其他参数采用仪器默认设置，然后进行定位设置，定位类型为三维定位，根据相邻两传感器之间的最大间距设置事件定义值、闭锁值和过定义值，一般波速设置为2500-3500m/s，根据试件直径和长度设置尺寸和传感器坐标。声发射与循环加卸载同时开始，进行声发射源的定位。

在每次循环中应力上升段强度50％处取斜率，得到每次循环中损伤岩样的变形模量，从而可以获取变形模量随着渐进破坏的变化规律，变形模量的公式可以通过对曲线进行线性或指数拟合求得。如图3所示，变形参数(变形模量E)的大小会随着岩体渐进破坏过程发生变化(随着应变增大，变形模量减小)。

将每次循环加载的应力应变曲线峰值点作为此次损伤岩样的强度，得到不同损伤岩样的强度，从而可以得到强度随着渐进破坏的变化规律，如图4所示。反映强度变化的公式可以通过对曲线进行线性或负指数拟合求得，不同岩性所得的拟合公式不同。根据下图可以得到不同塑性应变(以损伤为0和损伤为ε

如图5-7所示，在上一段的基础上，以σ

本发明获取岩体渐进破坏的变形强度参数变化规律,通过多级围压下的不等幅循环加卸载方法，每次循环即表示对不同损伤岩体的加载过程，可以获得不同损伤岩体的变形模量和峰值强度，从而可以得到变形模量和强度随着渐进破坏的变化曲线,实现对变形模量的定量刻画；对强度曲线做进一步分析，提取不同围压不同损伤下对应的试样强度绘制莫尔圆，取莫尔圆的公切线即为强度包络线，根据多组强度包络线获得多组强度参数，获得渐进破坏中不同损伤条件下岩体的强度参数变化曲线，从而实现对强度参数的定量刻画。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。