專利名稱：：硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及硬巖在不同應(yīng)力狀態(tài)條件下達到破壞所經(jīng)歷時間的一種硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法，是深埋地下洞室長期穩(wěn)定評價的基礎(chǔ)性試驗資料，適用于高應(yīng)力破壞比較嚴重的水工、交通隧洞的設(shè)計和施工期優(yōu)化。
背景技術(shù)：
：深埋硬巖隧洞建設(shè)過程中，圍巖往往都會出現(xiàn)高應(yīng)力破壞現(xiàn)象，比較典型的破壞形式有片幫、破裂、應(yīng)力節(jié)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(nèi)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(yīng)力破壞的長期發(fā)展，即在不支護條件下片幫、破裂可以持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年。錦屏隧洞的施工過程中還發(fā)現(xiàn)在不同的埋深條件下，隧洞開挖后高應(yīng)力破壞出現(xiàn)的時間呈現(xiàn)明顯的差異，埋深越大高應(yīng)力破壞出現(xiàn)得越早、持續(xù)時間越長；同時硬巖脆性特征的差異性也對高應(yīng)力破壞出現(xiàn)的時間具有明顯的影響，脆性特征越強高應(yīng)力破壞出現(xiàn)得越早、破壞程度越激烈。因此，一個現(xiàn)實的問題就是解答高應(yīng)力破壞何時能夠趨于停止，即評價隧洞的長期穩(wěn)定性。從巖石力學角度，上述現(xiàn)象涉及到硬巖強度時間效應(yīng)的描述，顯然這種描述需要建立應(yīng)力水平、破裂發(fā)展、持續(xù)時間三者之間的定量關(guān)系。目前對巖石時間效應(yīng)的研究更多關(guān)注的是變形問題，即流變，這種研究思路和相應(yīng)的試驗方法適用于軟巖和以變形問題為主的地下工程。深埋硬巖隧洞的高應(yīng)力破壞更多地屬于脆性破壞，在圍巖到達破壞之前一般不會產(chǎn)生明顯的變位，因此傳統(tǒng)的流變試驗方法不再適用，需要從新的角度設(shè)計試驗方法乃至后續(xù)的分析方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法，旨在采用室內(nèi)試驗測定硬巖強度的時間效應(yīng)，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(jīng)歷的時間。該方法具備在常規(guī)設(shè)備上即可完成，節(jié)省開支，具備較強的可操作性和實用性的特點。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法，其特征在于包括以下步驟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(yīng)變加載并記錄壓縮過程中的應(yīng)力_應(yīng)變曲線；同時采用AE設(shè)備監(jiān)測壓縮過程中的微裂紋破裂事件，根據(jù)MTS和AE的數(shù)據(jù)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(guī)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(yīng)的試驗結(jié)果均采用Hoek-Brown強度包絡(luò)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:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，01是軸向壓力，03是圍壓，0。i是起裂強度，mi是常數(shù)；1.4、剩余的六組巖樣分別進行不同圍壓，圍壓范圍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(shù)mi代入Hoke-Brown強度方程，得到該圍壓下的峰值強度估計值A(chǔ)，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(yīng)于該組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(xiàn)宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續(xù)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采用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度0。的倍數(shù)關(guān)系。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用室內(nèi)試驗的方法測得硬巖強度的時間效應(yīng)，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(jīng)歷的時間。本測定方法不需要依賴于昂貴的圍壓條件下聲發(fā)射測定設(shè)備(ASC公司的AcousticEnergy成套產(chǎn)品)，在常規(guī)的MTS(MTSsystem公司的電液伺服巖石試驗系統(tǒng))上即可完成，減少了設(shè)備的投入，節(jié)省了人力物力，具有較強的經(jīng)濟效益和社會效益。圖1是本發(fā)明聲發(fā)射探頭安裝在巖樣上的立面布置圖。圖2是本發(fā)明聲發(fā)射探頭安裝在巖樣上的剖面圖。圖3是本發(fā)明中單軸壓縮-聲發(fā)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(fā)明根據(jù)三軸壓縮試驗成果擬合的Hoek-Brown強度包絡(luò)線。圖5是本發(fā)明硬巖強度的時間效應(yīng)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(fā)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)用于測定巖塊的單軸強度o。、啟裂強度o。i和損傷強度ocd，試驗所采用的是常規(guī)的MTS設(shè)備和AcousticEnergy采集儀。試驗過程中根據(jù)AE監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判斷啟裂強度o。i;根據(jù)軸向壓力-軸向應(yīng)變曲線的最大值可以確定巖樣的單軸強度0。；根據(jù)體積應(yīng)變曲線的拐點結(jié)合AE監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、AE數(shù)據(jù)以及破壞后巖樣的照片，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(fā)射試驗完成后可以獲得單軸強度o。、啟裂強度o。i和損傷強度0。d的平均值，本發(fā)明0。i和0。d采用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度的倍數(shù)關(guān)系。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(shè)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.<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>獲得試驗數(shù)據(jù)后，采用巖塊的Hoek-Brown強度包絡(luò)線方程對試驗數(shù)據(jù)進行整理，獲得巖樣的Hoek-Brown常數(shù)。巖樣Hoke-Brown強度方程的表達形式是A=+,」卵'2+1，因此只需根據(jù)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(luò)線和試驗數(shù)據(jù)點如圖4所示。(二)第三八組試樣第三八組試樣用于強度時間效應(yīng)的測定，即根據(jù)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(xiàn)宏觀破壞所需要的時間。由于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(chǔ)=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(xiàn)宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續(xù)的時間，最終可以獲得如圖5所示的硬巖強度時間效應(yīng)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(quán)利要求一種硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法，其特征在于包括以下步驟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(yīng)變加載并記錄壓縮過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；同時采用AE設(shè)備監(jiān)測壓縮過程中的微裂紋破裂事件，根據(jù)MTS和AE的數(shù)據(jù)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(guī)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(yīng)的試驗結(jié)果均采用Hoek-Brown強度包絡(luò)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<mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mi>ci</mi></msub><msqrt><mi>mi</mi><mfrac><msub><mi>σ</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>σ</mi><mi>ci</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>,</mo></mrow>式中，σ1是軸向壓力，σ3是圍壓，σci是起裂強度，mi是常數(shù)；1.4、剩余的六組巖樣分別進行不同圍壓，圍壓范圍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(shù)mi代入Hoke-Brown強度方程，得到該圍壓下的峰值強度估計值A(chǔ)，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(yīng)于該組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(xiàn)宏觀破壞，記錄6塊巖樣從加壓開始直到破壞所持續(xù)的時間，從而獲得該組該圍壓條件下的長期強度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法，其特征在于所述起裂強度0。i和損傷強度c。d采用無量綱化的表達形式，即表達為單軸強度c。的倍數(shù)關(guān)系。全文摘要本發(fā)明涉及一種硬巖強度時間效應(yīng)的測定方法。本發(fā)明目的是提供一種在室內(nèi)便能夠測定硬巖強度時間效應(yīng)的方法。解決該問題的技術(shù)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(guī)三軸試驗，得到硬巖在不同圍壓下峰值強度的擬合曲線；剩余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(fā)明適用于高應(yīng)力破壞比較嚴重的水工、交通隧洞的設(shè)計和施工期優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2009年11月27日發(fā)明者劉寧,張春生,褚衛(wèi)江申請人:中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院