硬巖強度時間效應的測定方法

2024-01-26 21:19:15 3

專利名稱：：硬巖強度時間效應的測定方法
技術領域：
：本發明涉及硬巖在不同應力狀態條件下達到破壞所經歷時間的一種硬巖強度時間效應的測定方法，是深埋地下洞室長期穩定評價的基礎性試驗資料，適用於高應力破壞比較嚴重的水工、交通隧洞的設計和施工期優化。
背景技術：
：深埋硬巖隧洞建設過程中，圍巖往往都會出現高應力破壞現象，比較典型的破壞形式有片幫、破裂、應力節理等。無論是加拿大的URL地下試驗場(花崗巖)、瑞典的HRL地下試驗場(花崗巖)還是國內錦屏引水隧洞(大理巖)等不同巖性的深埋隧洞都觀察到圍巖高應力破壞的長期發展，即在不支護條件下片幫、破裂可以持續數月甚至數年。錦屏隧洞的施工過程中還發現在不同的埋深條件下，隧洞開挖後高應力破壞出現的時間呈現明顯的差異，埋深越大高應力破壞出現得越早、持續時間越長；同時硬巖脆性特徵的差異性也對高應力破壞出現的時間具有明顯的影響，脆性特徵越強高應力破壞出現得越早、破壞程度越激烈。因此，一個現實的問題就是解答高應力破壞何時能夠趨於停止，即評價隧洞的長期穩定性。從巖石力學角度，上述現象涉及到硬巖強度時間效應的描述，顯然這種描述需要建立應力水平、破裂發展、持續時間三者之間的定量關係。目前對巖石時間效應的研究更多關注的是變形問題，即流變，這種研究思路和相應的試驗方法適用於軟巖和以變形問題為主的地下工程。深埋硬巖隧洞的高應力破壞更多地屬於脆性破壞，在圍巖到達破壞之前一般不會產生明顯的變位，因此傳統的流變試驗方法不再適用，需要從新的角度設計試驗方法乃至後續的分析方法。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種硬巖強度時間效應的測定方法，旨在採用室內試驗測定硬巖強度的時間效應，包括不同圍壓和軸向壓力條件下，試樣保持荷載水平不變到達破壞所經歷的時間。該方法具備在常規設備上即可完成，節省開支，具備較強的可操作性和實用性的特點。本發明所採用的技術方案是硬巖強度時間效應的測定方法，其特徵在於包括以下步驟1.1、準備8組硬巖試樣，每組試樣包含6塊巖樣，每塊巖樣尺寸50mmX100mm;1.2、第一組巖樣全部在MTS上進行單軸壓縮試驗，試驗按應變加載並記錄壓縮過程中的應力_應變曲線；同時採用AE設備監測壓縮過程中的微裂紋破裂事件，根據MTS和AE的數據確定巖塊的起裂強度o。i、損傷強度o。d以及單軸強度o。；1.3、第二組巖樣進行常規三軸試驗，試驗所施加的圍壓分別為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20Mpa或25MPa，每種圍壓所對應的試驗結果均採用Hoek-Brown強度包絡線進行整理，獲得硬巖在不同圍壓下峰值強度的擬合曲線，巖樣Hoke-Brown強度方程的表達形式是:formulaseeoriginaldocumentpage4式中，01是軸向壓力，03是圍壓，0。i是起裂強度，mi是常數；1.4、剩餘的六組巖樣分別進行不同圍壓，圍壓範圍0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa或25MPa條件下的長期強度的測定，具體步驟是1.4.1、按順序選擇組，將某一圍壓03、步驟1.2測得的單軸強度Oc和常數mi代入Hoke-Brown強度方程，得到該圍壓下的峰值強度估計值A，1.4.2、用ocd替代o。代入Hoke-Brown強度方程獲得該圍壓下的損傷強度估計值B，1.4.3、將B和A之間的差值分為6個等級，每相鄰兩個等級之間的差值相等，得到對應於該組6塊巖樣準備施加的軸向壓力，1.4.4、每塊巖樣在試驗過程中保持圍壓和軸向壓力不變直到巖樣出現宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續的時間，從而獲得該組該圍壓條件下的長期強度。所述起裂強度o。i和損傷強度o。d採用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度0。的倍數關係。本發明的有益效果是本發明採用室內試驗的方法測得硬巖強度的時間效應，即不同圍壓和軸向壓力條件下，試樣保持荷載水平不變到達破壞所經歷的時間。本測定方法不需要依賴於昂貴的圍壓條件下聲發射測定設備(ASC公司的AcousticEnergy成套產品)，在常規的MTS(MTSsystem公司的電液伺服巖石試驗系統)上即可完成，減少了設備的投入，節省了人力物力，具有較強的經濟效益和社會效益。圖1是本發明聲發射探頭安裝在巖樣上的立面布置圖。圖2是本發明聲發射探頭安裝在巖樣上的剖面圖。圖3是本發明中單軸壓縮-聲發射試驗確定啟裂強度c。i和損傷強度0。d的曲線圖。圖4是本發明根據三軸壓縮試驗成果擬合的Hoek-Brown強度包絡線。圖5是本發明硬巖強度的時間效應曲線(圍壓5MPa)。具體實施例方式如圖1、圖2所示，本實施例準備了8組硬巖試樣，每組試樣包含6塊巖樣l，每塊巖樣尺寸①50mmX100mm。每塊巖樣上安裝6個聲發射探頭2，上、下各一圈，每圈3個，呈等三角布置。(—)第一組試樣第一組試樣(6塊巖樣1)用於測定巖塊的單軸強度o。、啟裂強度o。i和損傷強度ocd，試驗所採用的是常規的MTS設備和AcousticEnergy採集儀。試驗過程中根據AE監測數據可以判斷啟裂強度o。i;根據軸向壓力-軸向應變曲線的最大值可以確定巖樣的單軸強度0。；根據體積應變曲線的拐點結合AE監測數據可以確定巖樣的損傷強度o。d。圖3是其中一塊巖樣的MTS數據、AE數據以及破壞後巖樣的照片，圖3同時表達了o。i禾Po。d的確定方法。6塊巖樣的單軸_聲發射試驗完成後可以獲得單軸強度o。、啟裂強度o。i和損傷強度0。d的平均值，本發明0。i和0。d採用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度的倍數關係。本例試驗所測得的損傷強度0。d為單軸強度0。的0.8倍，S卩0。d二0.8o。，啟裂強度o。i為單軸強度o。的0.4倍，S卩o。i=0.4o。；試驗測得的試樣平均單軸強度oc=120MPa。(二)第二組試樣第二組試樣在MTS上進行三軸壓縮試驗，試驗的圍壓o3分別設定為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa，測定試樣在不同圍壓下的峰值強度(軸向壓力o》。表l是第二組試樣的測定成果表1.tableseeoriginaldocumentpage5獲得試驗數據後，採用巖塊的Hoek-Brown強度包絡線方程對試驗數據進行整理，獲得巖樣的Hoek-Brown常數。巖樣Hoke-Brown強度方程的表達形式是A=+,」卵'2+1，因此只需根據試驗成果擬合Hoek-Brown方程的iv對本例而言，擬合所得的mi為8.8。擬合的Hoke-Brown強度包絡線和試驗數據點如圖4所示。(二)第三八組試樣第三八組試樣用於強度時間效應的測定，即根據前面的試驗成果測定巖樣在不同圍壓、不同軸向壓力條件下出現宏觀破壞所需要的時間。由於各圍壓條件下的試驗操作流程基本相同，本例僅以第四組、圍壓5MPa的測試過程解釋操作流程。首先將o3=5MPa和前面測得的o。=120MPa和nii=8.8代入Hoek-Brown強度方程，獲得5MPa圍壓下峰值強度估計值A=145.3MPa;再將o3=5MPa，mi=8.8，用ocd(0.8oc)替代o。代入Hoek-Brown方程獲得5MPa圍壓下的損傷強度估計值B=114.2MPa;將這兩個估計值的差值(A-B)劃分為6個等級，得出第四組每塊巖樣將施加的軸向壓力114.2MPa、120.4MPa、126.6MPa、132.9MPa、139.lMPa和145.3MPa，試驗過程中保持圍壓和軸向壓力不變直到巖樣出現宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續的時間，最終可以獲得如圖5所示的硬巖強度時間效應曲線(也稱為長期強度)。圖5中的橫坐標是小時，縱坐標是所施加的軸向壓力(6個等級)和損傷強度的比值。權利要求一種硬巖強度時間效應的測定方法，其特徵在於包括以下步驟1.1、準備8組硬巖試樣，每組試樣包含6塊巖樣(1)，每塊巖樣尺寸50mm×100mm；1.2、第一組巖樣全部在MTS上進行單軸壓縮試驗，試驗按應變加載並記錄壓縮過程中的應力-應變曲線；同時採用AE設備監測壓縮過程中的微裂紋破裂事件，根據MTS和AE的數據確定巖塊的起裂強度σci、損傷強度σcd以及單軸強度σc；1.3、第二組巖樣進行常規三軸試驗，試驗所施加的圍壓分別為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20Mpa或25MPa，每種圍壓所對應的試驗結果均採用Hoek-Brown強度包絡線進行整理，獲得硬巖在不同圍壓下峰值強度的擬合曲線，巖樣Hoke-Brown強度方程的表達形式是1=3+cimi3ci+1,式中，σ1是軸向壓力，σ3是圍壓，σci是起裂強度，mi是常數；1.4、剩餘的六組巖樣分別進行不同圍壓，圍壓範圍0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa或25MPa條件下的長期強度的測定，具體步驟是1.4.1、按順序選擇組，將某一圍壓σ3、步驟1.2測得的單軸強度σc和常數mi代入Hoke-Brown強度方程，得到該圍壓下的峰值強度估計值A，1.4.2、用σcd替代σc代入Hoke-Brown強度方程獲得該圍壓下的損傷強度估計值B，1.4.3、將B和A之間的差值分為6個等級，每相鄰兩個等級之間的差值相等，得到對應於該組6塊巖樣準備施加的軸向壓力，1.4.4、每塊巖樣在試驗過程中保持圍壓和軸向壓力不變直到巖樣出現宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續的時間，從而獲得該組該圍壓條件下的長期強度。2.根據權利要求1所述的硬巖強度時間效應的測定方法，其特徵在於所述起裂強度0。i和損傷強度c。d採用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度c。的倍數關係。全文摘要本發明涉及一種硬巖強度時間效應的測定方法。本發明目的是提供一種在室內便能夠測定硬巖強度時間效應的方法。解決該問題的技術方案是先準備8組試樣，每組6塊巖樣；第一組巖樣全部在MTS上進行單軸壓縮試驗，確定起裂強度、損傷強度和單軸強度；第二組巖樣進行常規三軸試驗，得到硬巖在不同圍壓下峰值強度的擬合曲線；剩餘的六組巖樣分別進行不同圍壓條件下的長期強度的測定。本發明適用於高應力破壞比較嚴重的水工、交通隧洞的設計和施工期優化。文檔編號G01N3/08GK101718655SQ200910154329公開日2010年6月2日申請日期2009年11月27日優先權日2009年11月27日發明者劉寧,張春生,褚衛江申請人:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院