一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法，包括以下步骤：S1分别对无损伤和热损伤岩石试件进行单轴压缩实验和三轴压缩实验；S2画出两种试件强度随围压变化的拟合包络曲线；S3对表征无损伤完整岩石进行广义H

【技术实现步骤摘要】
一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法


[0001]本专利技术属于岩石力学与岩土工程
，具体涉及一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法。

技术介绍

[0002]在描述普通无损伤完整岩石的强度特性时，目前广泛采用H
‑
B破坏准则模型(也称广义H
‑
B模型)，该模型的一大特点是将节理岩体的强度参数与现场工程地质观测结果联系起来，由Hoek和Brown首次提出该模型以解释完整岩石强度行为的非线性性质。然而近几十年来，越来越多的岩土工程应用遇到高温环境，如放射性废物的地质储存、地下深层石油或天然气的生产、地热能源的开发等。为了确保在这些应用中正确的工程设计和工程结构的长期稳定性，综合研究高温处理对岩石物理力学性能的实验和数值影响是很重要的。
[0003]高温处理通常会导致岩石内部局部热应力集中。由于不同矿物颗粒的热膨胀不同，在热载荷作用下，岩石试样内部可能会产生大量微裂纹，微观结构的急剧变化对岩石的物理力学性质有显著影响。近年来，人们广泛研究了处理温度的大小对单轴压缩载荷下岩石力学行为的影响。这些实验研究结果表明，热损伤一般会削弱岩石的强度和变形参数。但由于矿物组成、粒度分布、孔隙度、微缺陷等因素的差异，不同类型岩石的物理力学行为较为复杂。除了单轴压缩试验外，一些研究人员还研究了热损伤岩石在三轴压缩载荷下的强度行为。研究发现，热损伤岩石的强度行为与未损伤岩石有很大的不同。在低围压下，热损伤试件与无损伤试件的强度存在较大差异。随着围压的增大，热损伤岩石的强度逐渐接近于未损伤岩石的强度。虽然目前已经进行了大量的实验研究，但很少有模型可以用来表征热损伤岩石的强度行为。

技术实现思路

[0004]本专利技术拟提供一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法，能在广义H
‑
B破坏准则框架的基础上，采用弱化地质强度指数(GSI)的概念来描述热损伤破坏岩石的强度行为。
[0005]为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法，包括以下步骤：
[0006]S1：分别对无损伤岩石试件和热损伤岩石试件进行单轴压缩实验和不同围压下三轴压缩实验，并记录各试件的强度数据；
[0007]S2：根据S1得到的强度数据，画出两种试件强度随围压变化的拟合包络曲线，并将两种曲线做对比；
[0008]S3：对表征无损伤完整岩石进行强度特性的广义H
‑
B破坏准则模型分析研究，并能得到影响广义H
‑
B模型包络线的主要参数分别为地质强度指数GSI和岩石材料参数m
i
；
[0009]S4：根据S3中得到的地质强度指数GSI和岩石材料参数m
i
，将热损伤岩石的单轴抗压强度代入广义H
‑
B模型公式中，得到热损伤岩石的GSI值，并定义为热损伤岩石弱化地质强度指数GSI
d
；
[0010]S5：将热损伤岩石的弱化指数GSI
d
值代入到广义H
‑
B模型中的GSI，得到仅弱化GSI的模型公式与包络线；
[0011]S6：进一步调整S5中的仅弱化GSI模型公式中岩石材料参数m
i
，对强度包络线进行更新，直至仅弱化GSI模型公式的包络线吻合热损伤岩石强度包络线，并将更新后的m
i
值定义为热损伤岩石材料参数m
id
；
[0012]S7：将广义H
‑
B模型中的参数GSI和m
i
替换为热损伤岩石的弱化参数GSI
d
和m
id
，得到在广义H
‑
B破坏准则框架的基础上的GSI弱化模型。
[0013]作为上述方案中的优选，在S1中，每种试件均至少做三组实验。
[0014]进一步优选，在S3中，广义H
‑
B模型公式为
[0015]σ1＝σ3+σ
c
(m
b
σ3/σ
c
+s)
a (1)
[0016]式中，σ1为轴向应力，σ3为围压，σ
c
为剪切强度，m
b
、s、a分别为岩石的材料参数，由以下公式给出：
[0017]m
b
＝m
i
e
(GSI
‑
10028
‑
14D) (2)
[0018]s＝e
(GSI
‑
1009
‑
3D) (3)
[0019]a＝1/2+1/6(e
‑
GSI15
‑
e
‑
203
) (4)
[0020]式中，m
i
是完整岩石的材料参数；GSI是表征岩体质量的地质强度指数；D是一个扰动系数，范围从未扰动的原位岩体的0到非常扰动的岩体的1，取决于岩体遭受爆炸破坏和应力松弛的扰动程度；s、a分别是GSI的函数。
[0021]进一步优选，在S4中，假设围压σ3为0，则公式(1)可化简为：
[0022]σ1＝σ
c
s
a (5)
[0023]此时σ
c
值的大小为普通无损伤岩石的单轴抗压强度值，将热损伤岩石的单轴抗压强度代入公式(5)的σ1中，得到热损伤岩石的弱化GSI值。
[0024]进一步优选，在S7中，由弱化地质强度指数GSI
d
和热损伤岩石材料参数m
id
得到广义H
‑
B破坏准则框架的基础上的GSI弱化模型，公式为：
[0025][0026]本专利技术的有益效果：
[0027]1)本申请确定热损伤岩石强度的参数物理意义明确，简单易行，也更加合理，其中弱化地质强度指数GSI
d
与热损伤岩石直接相关，且建立在原有的、被众多学者验证正确性的广义H
‑
B模型的基础上，用该方法对热损伤岩石的强度特性进行表征简单合理；
[0028]2)本专利技术中的GSI弱化模型基础深厚，逻辑明确，可完整评价热损伤岩石高度非线性行为，广义H
‑
B模型是一种广泛用于描述岩体强度特性的模型，经过多次修改与扩展足以解释完整无损伤岩石的强度行为，本申请在该模型的基础上做进一步扩展解释热损伤岩石强度行为，衍生得到的GSI弱化模型具有深厚的基础，由于热损伤岩石强度包络线的高度非线性，完整的H
–
B模型难以捕捉整个约束范围内的强度特性，本专利技术的弱化模型不仅兼顾了广义H
‑
B模型的优点，又解释了岩石非线性行为，还能完美拟合热损伤岩石强度随约束增长
而逐渐快速增加的强度特性。
附图说明
[0029]图1为本专利技术的流程示意图。
[0030]图2为本专利技术中无损伤岩石与热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：分别对无损伤岩石试件和热损伤岩石试件进行单轴压缩实验和不同围压下三轴压缩实验，并记录各试件的强度数据；S2：根据S1得到的强度数据，画出两种试件强度随围压变化的拟合包络曲线，并将两种曲线做对比；S3：对表征无损伤完整岩石进行强度特性的广义H
‑
B破坏准则模型分析研究，并能得到影响广义H
‑
B模型包络线的主要参数分别为地质强度指数GSI和岩石材料参数m
i
；S4：根据S3中得到的地质强度指数GSI和岩石材料参数m
i
，将热损伤岩石的单轴抗压强度代入广义H
‑
B模型公式中，得到热损伤岩石的GSI值，并定义为热损伤岩石弱化地质强度指数GSI
d
；S5：将热损伤岩石的弱化指数GSI
d
值代入到广义H
‑
B模型中的GSI，得到仅弱化GSI的模型公式与包络线；S6：进一步调整S5中的仅弱化GSI模型公式中岩石材料参数m
i
，对强度包络线进行更新，直至仅弱化GSI模型公式的包络线吻合热损伤岩石强度包络线，并将更新后的m
i
值定义为热损伤岩石材料参数m
id
；S7：将广义H
‑
B模型中的参数GSI和m
i
替换为热损伤岩石的弱化参数GSI
d
和m
id
，得到在广义H
‑
B破坏准则框架的基础上的GSI弱化模型。2.根据权利要求1中所述的基于GSI弱化确定热损伤岩石强度的方法，其特征在于：在S1中，每种试件均至少做三组实验。3.根据权利要求1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭俊，许传华，潘堃，代碧波，孙丽军，王林飞，孙国权，曾学敏，王星，李鹏程，王梓鑫，
申请(专利权)人：中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：