基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法技术

本申请公开了一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，包括以下步骤：S1岩块样品加工打磨以满足纳米压痕试验的要求；S2对试验样品进行联合扫描电镜和能谱分析测试，以确定压痕区域内岩样的矿物组成，同时进行岩块样品的X射线衍射试验，以确定各组成矿物的百分含量f

【技术实现步骤摘要】
基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法


[0001]本申请涉及土木工程
，尤其涉及一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法。

技术介绍

[0002]岩体的强度和变形特性通常由岩石的单轴抗压强度和杨氏模量来描述，在地下工程或采矿工程的施工过程中，这两个参数对于工程设计、稳定性分析以及岩体分类(如岩体指数RMi和岩体评级RMR系统)非常关键。此外，使用Hoek
‑
Brown破坏准则预测岩体强度需要这些输入参数。然而，国际岩石力学与岩石工程学会推荐的标准化实验室测试方法(单轴压缩试验)对测试样品的尺寸和质量有特定要求。从高地应力导致的岩心饼化、裂隙发育、极薄层以及外太空领域岩石中获取满足这些测试要求的标准圆柱形岩石试样耗时、昂贵且技术上具有挑战性。。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，通过多元线性回归、广义均值法以及霍克布朗破坏准则来估计岩石和岩体的宏观力学参数，所述技术方案如下：
[0004]本申请提供一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，包括以下步骤：S1岩块样品加工打磨以满足纳米压痕试验的要求；S2对试验样品进行联合扫描电镜和能谱分析测试，以确定压痕区域内岩样的矿物组成，同时进行岩块样品的X射线衍射试验，以确定各组成矿物的百分含量f
i
；S3开展纳米压痕试验，获取岩块组成矿物的荷载
‑
深度曲线；S4根据荷载
‑
深度曲线计算岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
；S5根据矿物的硬度值采用回归分析模型估计标准岩石样品的单轴抗压强度σ
c
，根据广义均值法计算标准岩石样品的杨氏模量E
r
；S6根据Hoek
‑
Brown破坏准则公式并结合GSI地质调查计算岩体的力学参数。
[0005]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述S3中，对确定矿物种类的试验区域内的每种矿物开展多组纳米压痕试验以获取荷载深度曲线。
[0006]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述S4中，岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
满足以下计算式：
[0007][0008]其中，P
max
为最大压痕荷载，A
c
为压头与试样的接触面积，β为压头的几何参数，S为接触刚度且S等于荷载
‑
深度曲线卸载段的斜率。
[0009]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述S4中根据荷载
‑
深度曲线计算岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
的平均值。
[0010]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述S5中，根据获取的矿物的硬度值将矿物划分为高强度矿物、中等强度矿物和低强度矿物，再采用拟合得到的岩石单轴抗压强度回归模型公式计算标准岩石样品的单轴抗压强度σ
c
、采用广义均值法计算标准岩石样品的杨氏模量E
r
。
[0011]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，标准岩石样品的单轴抗压强度σ
c
和标准岩石样品的杨氏模量E
r
满足以下计算式：
[0012][0013]其中，f
high
、f
mediun
和f
low
分别代表高强度矿物、中等强度矿物和低强度矿物的百分含量，H
high
、H
medium
和H
low
分别代表高强度矿物、中等强度矿物和低强度矿物的硬度值，i＝1...n代表矿物的种类数，f
i
和E
i
分别代表第i种矿物的百分含量和杨氏模量值，J为尺度参数。
[0014]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述J取负无穷大。
[0015]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，所述S6中，根据Hoek
‑
Brown破坏准则公式并结合GSI地质调查计算岩体的下述力学参数：
[0016][0017][0018]其中，σ1和σ3分别为最大、最小主应力，m
b
、s和a分别代表三种岩体特征的经验常数，m
i
为材料常数，D为岩体扰动因子，GSI为地质强度指标系统。
[0019]例如，在一个实施例提供的基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法中，根据Hoek
‑
Brown破坏准则公式获取岩体的杨氏模量E
rm
并满足下述计算式:
[0020][0021]本申请一些实施例提供的一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法带来的有益效果为：本申请针对高地应力导致的岩心饼化、裂隙发育、极薄层以及外太空领域岩石中获取满足测试要求的标准圆柱形岩石试样耗时、昂贵且技术上具有挑战性的问题，提供了一种基于矿物微观力学测试的岩石和岩体力学参数的估计方法，可以有效地从微观尺度估计室内尺度标准圆柱岩石样的力学参数到预测工程尺度岩体的力学行为，
采用本申请的方法获取岩石和岩体的力学参数更加便捷高效，省时省成本。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1是基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法流程图；
[0024]图2是基于矿物硬度的岩石单轴抗压强度回归模型图；
[0025]图3是采用广义均值法预测岩石的杨氏模量结果图。
具体实施方式
[0026]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0027]除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1岩块样品加工打磨以满足纳米压痕试验的要求；S2对试验样品进行联合扫描电镜和能谱分析测试，以确定压痕区域内岩样的矿物组成，同时进行岩块样品的X射线衍射试验，以确定各组成矿物的百分含量f
i
；S3开展纳米压痕试验，获取岩块组成矿物的荷载
‑
深度曲线；S4根据荷载
‑
深度曲线计算岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
；S5根据矿物的硬度值采用回归分析模型估计标准岩石样品的单轴抗压强度σ
c
，根据广义均值法计算标准岩石样品的杨氏模量E
r
；S6根据Hoek
‑
Brown破坏准则公式并结合GSI地质调查计算岩体的力学参数。2.根据权利要求1所述基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，其特征在于，所述S3中，对确定矿物种类的试验区域内的每种矿物开展多组纳米压痕试验以获取荷载深度曲线。3.根据权利要求2所述基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，其特征在于，所述S4中，岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
满足以下计算式：其中，P
max
为最大压痕荷载，A
c
为压头与试样的接触面积，β为压头的几何参数，S为接触刚度且S等于荷载
‑
深度曲线卸载段的斜率。4.根据权利要求3所述基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，其特征在于，所述S4中根据荷载
‑
深度曲线计算岩块组成矿物的硬度H
m
和杨氏模量E
m
的平均值。5.根据权利要求1所述基于岩块纳米压痕试验估计岩石和岩体力学参数的方法，其特征在于，所述S5...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鼎平，柳秀洋，李邵军，徐怀胜，江权，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：