可獲得峰前滯后損傷巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的單試件測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石損傷程度及其抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可獲得峰 前滯后損傷巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的單試件測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大量工程實(shí)踐表明，在高應(yīng)力條件下的深部地下工程在開挖后勢必會(huì)造成周邊圍 巖產(chǎn)生不同程度的破裂損傷，甚至突發(fā)性破壞。眾所周知，巖石在外部荷載作用下的整個(gè)漸 進(jìn)破壞過程包括微孔隙（裂隙）壓密，隨機(jī)微破裂損傷產(chǎn)生，損傷破裂局部化形成微裂紋， 微裂紋交叉聯(lián)合，直至最終宏觀破壞。隨著微破裂損傷加劇，巖石內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)受到逐步削 弱而導(dǎo)致巖石強(qiáng)度衰減及其力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。
[0003] 巖石破裂損傷程度可用巖石卸載后產(chǎn)生的不可逆塑性變形來描述。巖石損傷程度 越大，卸載后產(chǎn)生的不可逆塑性變形越大。巖石強(qiáng)度衰減及其力學(xué)參數(shù)變化可通過力學(xué)試 驗(yàn)來獲取，但巖石強(qiáng)度是在外荷載作用下巖石達(dá)到破壞時(shí)刻的最大承載力除以受載面積來 獲得，對(duì)應(yīng)的是完整巖樣（無微破裂損傷）的峰值載荷那一特定時(shí)刻的力學(xué)參數(shù)，不能獲得 巖石峰值前任一損傷狀態(tài)（不同損傷程度）下巖樣的強(qiáng)度參數(shù)及其變化規(guī)律。
[0004] 在深部地下工程中，巖爆并不隨巖體開挖立即產(chǎn)生，而會(huì)滯后開挖一段時(shí)間、在地 下工程周邊圍巖產(chǎn)生一定程度破裂損傷后在某一時(shí)刻突發(fā)性沖擊破壞，常伴隨有圍巖體剝 落、巖塊彈射、甚至大量巖體拋出等動(dòng)力現(xiàn)象。在掌子面開挖后的5~45h、距掌子面6~ 20m的范圍內(nèi)是巖爆發(fā)生的高峰期，在掌子面開挖后65h甚至更長時(shí)間也發(fā)生過多次強(qiáng)度 較大的巖爆，這種巖爆滯后于開挖現(xiàn)象稱之為遲滯巖爆。大量工程實(shí)踐表明，地下工程開挖 引起的圍巖失穩(wěn)破壞主要由開挖后應(yīng)力改變和巖石強(qiáng)度衰減共同作用引起。因此，迫切需 要通過室內(nèi)試驗(yàn)研宄在峰前某恒載作用下巖石滯后變形損傷后的強(qiáng)度衰減及其力學(xué)參數(shù) 變化規(guī)律，這對(duì)于遲滯巖爆孕育機(jī)理研宄，揭示遲滯巖爆機(jī)制及其巖爆時(shí)間預(yù)測具有重要 的現(xiàn)實(shí)意義。
[0005] 如何有效地利用單個(gè)巖樣在巖石峰前階段制作損傷狀態(tài)可控的滯后損傷巖樣，并 同時(shí)獲得在峰前某特定損傷狀態(tài)下的巖石損傷程度及其巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而 準(zhǔn)確描述峰前巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，對(duì)于地下工程施工力學(xué)過程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)優(yōu)化設(shè) 計(jì)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種可獲得峰前滯后損傷巖樣抗剪強(qiáng) 度參數(shù)的單試件測定方法，在巖石峰前階段制作損傷狀態(tài)可控的滯后損傷巖樣，然后利用 同一巖樣獲取在該特定損傷狀態(tài)下的巖石損傷程度及其抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律。
[0007] 本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種可獲得峰前滯后損傷巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的 單試件測定方法，包括如下各步驟：
[0008] 步驟1 :首先在需要進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試的工程巖體中進(jìn)行截割取樣，將現(xiàn)場取得 的測試巖體加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖石試件；
[0009] 步驟2 :將圓柱體巖石試件置于巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi)，在圓柱體試件軸向 和環(huán)向上分別敷設(shè)位移傳感器，并保證能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿灰撇杉骼铮瑢?shí)現(xiàn)圓柱體 試件的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲??；
[0010] 步驟3 :巖石峰前滯后損傷巖樣制作，具體如下：
[0011] 步驟301 :按照現(xiàn)場實(shí)際工程巖體的最小主應(yīng)力水平，按應(yīng)力控制加載方式，對(duì)試 件進(jìn)行軸壓和圍壓加載至靜水壓力狀態(tài)a點(diǎn)，該狀態(tài)下軸壓〇1a=圍壓〇 然后增加軸壓 至現(xiàn)場工程巖體的最大主應(yīng)力水平，使得巖石試件處于現(xiàn)場工程巖體原巖應(yīng)力水平狀態(tài)b點(diǎn)，該狀態(tài)下軸壓〇廣〉圍壓〇 3a;
[0012] 步驟302 :保持該級(jí)圍壓〇 3a恒定，按位移控制加載方式，施加軸向荷載至現(xiàn)場工 程巖體受到的外荷載次生應(yīng)力水平c點(diǎn)，該狀態(tài)下軸壓〇 圍壓〇
[0013] 步驟303 :當(dāng)試件軸、圍壓施加至次生應(yīng)力水平c點(diǎn)后，保持此應(yīng)力水平的恒載作 用一段時(shí)間至d點(diǎn)，待試件軸向變形緩慢增長后逐步穩(wěn)定下來并連續(xù)保持100s未發(fā)生變 化時(shí)即可卸載至原始地應(yīng)力狀態(tài)e點(diǎn)，該狀態(tài)下軸壓=〇1b，圍壓=〇3 a;通過這種循環(huán)加 載-保載-卸載方式制作好損傷狀態(tài)可控的峰前滯后損傷巖樣。
[0014] 步驟4 :巖石峰前滯后損傷巖樣的損傷程度測定，具體如下：
[0015] 步驟401 :記錄軸向荷載增加至現(xiàn)場工程巖體次生應(yīng)力水平d點(diǎn)的軸向應(yīng)變值 esi，從工程巖體次生應(yīng)力水平卸載至原巖應(yīng)力水平e點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變值不可逆 塑性應(yīng)變值epi。
[0016] 步驟402 :采用常規(guī)三軸試驗(yàn)方法，獲得巖石在該級(jí)圍壓〇 3a下的峰值應(yīng)變值eP。
[0017]步驟403:定義巖石在此應(yīng)力水平下的損傷度D=epi/ep，此時(shí)軸壓=〇A圍壓 =〇 3a〇
[0018] 步驟5 :巖石峰前滯后損傷巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定，具體如下：
[0019] 步驟501 :保持該級(jí)圍壓〇 3a不變，按位移控制方式增加軸壓，直至試件軸向應(yīng)力 達(dá)到該級(jí)圍壓下的峰值荷載 〇 ，當(dāng)軸向加載越過峰值后，立即采用應(yīng)力加載方式增加圍壓 至下級(jí)應(yīng)力水平〇 3b;
[0020] 步驟502:在增大圍壓〇3a至0 3b后，保持圍壓0 3b不變，繼續(xù)按位移加載方式增 加軸壓，直至試件軸向應(yīng)力達(dá)到該級(jí)圍壓〇3 b下的峰值荷載〇 。當(dāng)軸向加載越過峰值后， 立即采用應(yīng)力加載方式增加圍壓至下級(jí)應(yīng)力水平0;。
[0021] 步驟503:在增大圍壓〇3b至0 ^后，保持圍壓0 ^不變，繼續(xù)按位移加載方式增 加軸壓，直至試件軸向應(yīng)力達(dá)到該級(jí)圍壓0^下的峰值荷載0 ，直至試件軸向加載越過峰 值達(dá)到最終破壞；
[0022] 步驟504 :利用三次屈服應(yīng)力水平，分別對(duì)應(yīng)的參數(shù)為：〇A。。。3b，〇 ^、 〇 ;，按照摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則Sl=As3+B，回歸得到該滯后損傷狀態(tài)D=epi/eP下的抗 剪強(qiáng)度參數(shù)c和內(nèi)摩擦角cp，其中抗剪強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)摩擦角P= 粘聚力f=s
[0023] 其進(jìn)一步是：所述步驟1中標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖石試件的直徑為50mm，高為100mm，高徑 比為2:1。
[0024] 所述步驟301按應(yīng)力控制加載方式，其加載速率均以0? 05MPa/s。
[0025] 所述步驟302按位移控制加載方式施加軸向荷載，位移加載速率為0. 00lmm/s。軸 向卸載采用力控制方式，峰前的卸載速率均為500N/S。
[0026] 所述步驟501、502、503按位移控制加載方式施加軸壓，軸壓加載速率為0. 001mm/ s;按應(yīng)力控制加載方式施加圍壓，圍壓加載速率為0. 6MPa/s;下一級(jí)圍壓高于上一級(jí)圍壓 8 ~15MPa〇
[0027] 所述步驟303的圍巖次生應(yīng)力水平，軸壓可依次選取為某級(jí)圍壓〇 3a下的三軸抗 壓強(qiáng)度峰值荷載的30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。通過一系列不同次生應(yīng) 力水平的加載-保載-卸載作用，制作多個(gè)不同損傷程度狀態(tài)的滯后損傷巖樣；然后針對(duì)每 個(gè)損傷巖樣，按照步驟4-步驟5獲得該滯后損傷巖樣的損傷度及其抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而以 損傷度為橫坐標(biāo)，巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)為縱坐標(biāo)作圖，可以獲得整個(gè)巖石破裂漸進(jìn)過程中巖 石抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 1.在巖石峰前階段可制作損傷狀態(tài)可控的滯后損傷巖樣，以便模擬研宄深部圍巖 滯后變形損傷與遲滯巖爆機(jī)制。
[0030] 2.可獲得巖石峰前任一損傷狀態(tài)下巖石損傷度與抗剪強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī) 律，進(jìn)而準(zhǔn)確描述巖石強(qiáng)度衰減規(guī)律，為地下工程施工力學(xué)過程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)優(yōu)化 設(shè)計(jì)提供重要技術(shù)參數(shù)；
[0031] 3.該測試方法操作簡單，僅需單個(gè)試件即可實(shí)現(xiàn)損傷巖樣制作及其抗剪強(qiáng)度參數(shù) 測試，所需試件數(shù)少、節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間；
[0032] 4.同一試件的重復(fù)使用可有效避免不同巖石試件之間的非均勻性造成的強(qiáng)度參 數(shù)差異。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的單試件測定方法加載示意圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明的測定方法一實(shí)驗(yàn)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0035] 下面結(jié)合附圖2本發(fā)明測定方法的一實(shí)驗(yàn)曲線作進(jìn)一步的具體描述。
[0036] 步驟1 :首先將測試巖體加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，圓柱體試件的高度與直徑之比 為 2:1;
[0037] 步驟2:將圓柱體試件置于巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi)，在圓柱體試件軸向和環(huán) 向上敷設(shè)位移傳感器；通過手動(dòng)試掰軸向和環(huán)向位移傳感器，觀察位移采集器里軸向和環(huán) 向位移讀數(shù)是否發(fā)生變化；若發(fā)生變化，則表明位移采集器能實(shí)時(shí)獲取圓柱體試件的軸向 和環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)。
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