一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法技术

本发明专利技术涉及一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，方法包括：制备岩石真三维压剪试验试样；开展真三维应力状态下岩石压剪试验；获取真三维应力状态下岩石压剪全应力应变关系曲线；确定真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数；划分真三维应力应力状态下岩石压剪变形发展阶段；确定偏应力加载全程中间主应力方向和小主应力方向变形比变化；定量区分真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式。该方法能够定量区分真三维应力作用下岩石各向异性压剪破坏模式。石各向异性压剪破坏模式。石各向异性压剪破坏模式。

【技术实现步骤摘要】
一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学领域，特别涉及一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法。

技术介绍

[0002]近年来，深部地下工程数量连年增加，越来越多的重大深部地下工程已被列入国家发展战略规划中。如深埋隧道工程、核废料地下处置工程、深层地热开采工程、深部油气开采工程、二氧化碳地下封存工程等。因此，这些重大深部地下工程的合理设计、安全施工、平稳运营对保障国民经济发展意义重大。对于深部地下工程而言，其围岩常常处在真三维应力状态下。受开挖卸荷和深部高地应力的影响，真三维应力状态下的围岩会出现不同程度的开裂，严重时会诱发岩爆、大变形等工程事故。这不仅威胁工作人员人身安全，同时也造成了巨大的经济损失。
[0003]为了探寻真三维应力状态下围岩的破裂规律，研究人员对包含花岗岩、砂岩、板岩等在内的诸多各向同性和各向异性岩石开展了大量真三轴压剪试验，发现了岩石在真三维应力状态下常出现各向异性压剪破坏模式，主要为破坏面的法向和中间主应力作用方向垂直以及破坏面的法向和最小主应力作用方向垂直这两种破坏模式。实现这两种典型破坏模式的定量划分是实现深部地下工程围岩破裂位置精准识别及破裂有效防控的关键，也是建立真三维应力状态下岩石破裂理论及相应的数值计算方法的关键。
[0004]现阶段还缺少真三维应力状态下岩石的各向异性压剪破坏模式定量识别方法。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法。
[0007](二)技术方案
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0009]第一方面，本专利技术实施例提供一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其包括：
[0010]S10、获取用于进行岩石压剪试验的试验试样，并对该试验试样进行岩石压剪试验；
[0011]S20、基于岩石压剪试验，得到真三维应力状态下的岩石压剪全应力应变关系曲线；
[0012]S30、分析所述岩石压剪全应力应变关系曲线，获取真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数及真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式。
[0013]可选地，所述S10包括：
[0014]制备岩石真三维压剪试验试样，开展真三维应力状态下岩石压剪试验；
[0015]试验试样为立方体，试样长度L和宽度W相同，试样高度H和长度的比例2:1。
[0016]可选地，所述S30包括：
[0017]S31、分析真三维应力状态下岩石压剪全应力应变关系曲线；
[0018]S32、获取真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数；
[0019]S33、划分真三维应力应力状态下岩石压剪变形发展阶段；
[0020]S34、确定偏应力加载全程中间主应力方向和小主应力方向变形比变化；其中，所述真三维应力状态为σ1>σ2>σ3，σ1为最大主应力，σ2为中间主应力，σ3为最小主应力；
[0021]S35、定量区分真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式。
[0022]可选地，所述真三维应力状态下岩石压剪试验涵盖应力状态符合σ1>σ2>σ3的岩石压剪试验；
[0023]岩石压剪全应力应变关系曲线为：加载开始至试样破坏或出现残余强度全过程中获得的偏应力和三个主应力方向的应变关系的曲线；
[0024]真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数包括：起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力。
[0025]可选地，所述真三维应力应力状态下岩石压剪变形发展阶段包括：峰前变形阶段和峰后变形阶段；
[0026]所述峰前变形阶段包括：线弹性变形阶段、裂纹非稳定发展阶段；
[0027]所述峰后变形阶段包括：应力跌落阶段、残余阶段。
[0028]可选地，所述S34包括：
[0029]所述偏应力加载全程中间主应力方向和小主应力方向变形比为：
[0030][0031]其中，ξ为中间主应力方向和小主应力方向变形比。D2和D3分别为相同偏应力水平下测得的中间主应力方向和小主应力方向的变形。ξ为偏应力的函数。
[0032]可选地，所述真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式是指：宏观破裂面的法向与中间主应力方向垂直的破坏，宏观破裂面法向与小主应力方向垂直的破坏。
[0033]可选地，所述S35包括：
[0034]通过峰前阶段ξ随偏应力的变化来识别真三维应力状态下岩石的破坏模式；
[0035]所述宏观破裂面法向与小主应力方向垂直的破坏出现时，公式(1)和(2)同时成立，否则为宏观破裂面的法向与中间主应力方向垂直的破坏；
[0036][0037]ξ≥1,σ
cd
<σ1‑
σ3<σ
p
ꢀꢀ
(2)
[0038]其中，dξ为偏应力变化引起的ξ的增量，σ
ci
、σ
cd
、σ
p
分别为起裂应力、损伤应力、峰值应力，q为偏应力，其值为最大主应力σ1和最小主应力σ3的差值。
[0039]可选地，所述S35包括：
[0040]通过峰后阶段ξ随偏应力的变化来定量识别真三维应力状态下岩石的各向异性压剪破坏模式；
[0041]所述宏观破裂面法向与小主应力方向垂直的破坏出现时，公式(3)和(4)同时成
立；否则为宏观破裂面的法向与中间主应力方向垂直的破坏；
[0042][0043]ξ≥1,σ
p
<σ1‑
σ3<σ
r
ꢀꢀ
(4)
[0044]其中，σ
r
为残余应力，dξ为偏应力变化引起的ξ的增量，σ
p
为峰值应力，q为偏应力，其值为最大主应力σ1和最小主应力σ3的差值。
[0045](三)有益效果
[0046]本专利技术的方法解决了真三维应力状态下破坏面的法向和中间主应力作用方向垂直以及破坏面的法向和最小主应力作用方向垂直这两种破坏模式的定量划分问题，为实际工程中围岩破裂位置确定提供重要指导。
[0047]具体地，利用真三维应力状态下岩石的压剪试验获取的应力应变曲线信息，提供了两种真三维应力状态下岩石典型各向异性压剪破坏模式(宏观破裂面的法向与中间主应力方向垂直的破坏和宏观破裂面法向与小主应力方向垂直的破坏)定量划分方法。
[0048]进一步地，基于峰前变形的破坏模式划分方法能够实现岩石破坏模式预测，基于峰后变形的破坏模式划分方法为构建真三维应力状态下岩石峰后力学行为理论和岩石峰后行为数值模拟方法提供重要基础。两种方法为深部地下工程围岩的破裂位置精准识别、破裂有效防控提供依据。
附图说明
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其特征在于，包括：S10、获取用于进行岩石压剪试验的试验试样，并对该试验试样进行岩石压剪试验；S20、基于岩石压剪试验，得到真三维应力状态下的岩石压剪全应力应变关系曲线；S30、分析所述岩石压剪全应力应变关系曲线，获取真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数及真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式。2.根据权利要求1所述的真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其特征在于，所述S10包括：制备岩石真三维压剪试验试样，开展真三维应力状态下岩石压剪试验；试验试样为立方体，试样长度L和宽度W相同，试样高度H和长度的比例2:1。3.根据权利要求2所述的真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其特征在于，所述S30包括：S31、分析真三维应力状态下岩石压剪全应力应变关系曲线；S32、获取真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数；S33、划分真三维应力应力状态下岩石压剪变形发展阶段；S34、确定偏应力加载全程中间主应力方向和小主应力方向变形比变化；其中，所述真三维应力状态为σ1>σ2>σ3，σ1为最大主应力，σ2为中间主应力，σ3为最小主应力；S35、定量区分真三维应力状态下岩石各向异性压剪破坏模式。4.根据权利要求3所述的真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其特征在于，所述真三维应力状态下岩石压剪试验涵盖应力状态符合σ1>σ2>σ3的岩石压剪试验；岩石压剪全应力应变关系曲线为：加载开始至试样破坏或出现残余强度全过程中获得的偏应力和三个主应力方向的应变关系的曲线；真三维应力状态下岩石压剪特征强度参数包括：起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力。5.根据权利要求3所述的真三维应力下岩石各向异性压剪破坏定量识别方法，其特征在于，所述真三维应力应力状态下岩石压剪变形发展阶段包括：峰前变形阶段和峰后变形阶段；所述峰前变形阶段包括：线弹性变形阶段、裂纹非稳定发展阶段；所述峰后变形阶段包括：应力跌落阶段、残余阶段。6.根据权利要求3所述的真三维应力下岩石各...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘造保，周宏源，刘凤姣，汪昕，张明山，庞博学，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：