本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與建筑工程，尤其涉及一種基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、巖石的長期強度是指巖石在長期荷載作用下抵御破壞的強度值。巖石的長期強度受其結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其內(nèi)部缺陷影響較大；巖石在小于一恒定荷載作用時，巖石的變形隨時間而增長，但增長的速率隨時間而遞減，最后使變形趨于某一穩(wěn)定值，此過程巖石不會發(fā)生破壞；當(dāng)荷載超過一定恒定值后，巖體的變形隨時間而增長，增長的速率隨時間而急劇增加，最終巖體發(fā)生變形破壞。目前，通過現(xiàn)有理論方法確定準確的長期強度值較為困難，在流變試驗的基礎(chǔ)上，較為常見的方法主要有等時曲線法、穩(wěn)態(tài)流變速率曲線法。但常見的方法在巖石流變特性明顯時較為適用，當(dāng)巖石流變特性不明顯的情況下，曲線的前期直線段和后端曲線轉(zhuǎn)折點難以確定，因此，有效的長期強度確定方法對工程建筑物，如地下洞室、邊坡及壩基穩(wěn)定等設(shè)計有著重要的現(xiàn)實意義。

2、現(xiàn)有技術(shù)一，申請?zhí)枺篶n201711453978.3公開了一種在巖石蠕變試驗中確定長期強度的方法，包括：為現(xiàn)場巖樣取芯；加工巖芯形成試件；為試件安裝并調(diào)整軸徑向位移傳感器；對試件施加軸徑向荷載直至試件破壞；采集試驗數(shù)據(jù)并換算輸出；繪制試件軸徑向蠕變曲線；計算各時刻蠕變泊松比；確定巖石長期強度。雖然以巖石實際延性擴容變形為依據(jù)，綜合考慮巖石蠕變過程中軸徑向變形對巖石性能影響，將蠕變時間分段，繪制蠕變泊松比時間曲線，根據(jù)曲線拐點數(shù)據(jù)對應(yīng)的應(yīng)力確定巖石長期強度，使所求長期強度更好地反映巖石時效性，去除了主觀判斷，簡單可靠，準確度較高，易于推廣應(yīng)用于實際巖石工程。但是在巖樣的流變特性不明顯時，很容易導(dǎo)致長期強度確定的結(jié)果不準確。

3、現(xiàn)有技術(shù)二，申請?zhí)枺篶n?201510369199.x公開了一種基于穩(wěn)態(tài)流變速率交點的巖石長期強度參數(shù)確定方法，取巖芯試樣加工成標準圓柱形試樣，對標準圓柱形試樣進行三軸流變力學(xué)特性試驗，通過穩(wěn)態(tài)流變階段的軸向流變速率與體積流變速率擬合出兩條穩(wěn)態(tài)流變速率曲線，利用軸向和體積流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數(shù)。雖然將巖石流變力學(xué)特性試驗成果計算得到的軸向穩(wěn)態(tài)流變速率曲線和體積穩(wěn)態(tài)流變速率曲線進行比較，通過巖石壓縮變形與體積擴容的臨界值，即兩條穩(wěn)態(tài)流變速率曲線的交點來定量地確定巖石的長期強度參數(shù)，克服了傳統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線簇法和穩(wěn)態(tài)流變速率方法在流變特性不明顯的巖樣中拐點模糊的問題，對準確評價巖石的長期穩(wěn)定性問題具有參考價值。但是曲線的前期直線段和后端曲線轉(zhuǎn)折點確定繁瑣，導(dǎo)致計算過程耗時較長。

4、現(xiàn)有技術(shù)三，申請?zhí)枺篶n?201510272530.6公開了一種多級應(yīng)力分級加載蠕變力學(xué)試驗確定巖石長期強度的方法，包括以下步驟：現(xiàn)場采樣，制作巖芯試件；將試件安裝至巖石三軸流變力學(xué)試驗儀器內(nèi)，并調(diào)整軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變測量系統(tǒng)至初始值；按照應(yīng)力荷載控制模式對試件進行多級應(yīng)力分級加載蠕變力學(xué)試驗，直至試樣被破壞，在此過程中，測量試驗全程不同應(yīng)力作用下軸向壓縮應(yīng)變和環(huán)向擴容應(yīng)變隨時間的變化；計算試件體積應(yīng)變隨時間變化；繪制巖石蠕變曲線，判定每級應(yīng)力荷載作用下蠕變曲線的衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段；計算每級應(yīng)力荷載作用下穩(wěn)態(tài)蠕變速率，繪制軸向、環(huán)向和體積穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨應(yīng)力水平變化的關(guān)系曲線，確定其交點，該交點對應(yīng)的應(yīng)力即為巖石的長期強度。雖然以巖石實際延性擴容變形為依據(jù)，綜合考慮軸向、環(huán)向和體積穩(wěn)態(tài)流變速率，根據(jù)軸向、環(huán)向和體積穩(wěn)定變速率交點進行了客觀判定，進而保證了求解的唯一性和準確性。但是其確定過程比較繁瑣，計算周期較長，導(dǎo)致計算過程費時費力，時間成本較大。

5、目前現(xiàn)有技術(shù)一、現(xiàn)有技術(shù)二及現(xiàn)有技術(shù)三存在當(dāng)巖石流變特性不明顯的情況下，曲線的前期直線段和后端曲線轉(zhuǎn)折點難以確定，導(dǎo)致計算結(jié)果精度及準確性有待進一步提升的問題。因而，本發(fā)明提供一種基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)巖石流變特性不明顯的情況下，曲線的前期直線段和后端曲線轉(zhuǎn)折點難以確定，導(dǎo)致計算結(jié)果精度及準確性有待進一步提升的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估方法，所述巖芯試樣長期強度評估方法包括：

4、制備標準圓柱試樣，按照流變試驗對標準圓柱試樣進行測試，得到流變曲線，對穩(wěn)態(tài)流變速率倒數(shù)與應(yīng)力水平對數(shù)進行擬合，得到擬合曲線；

5、篩選曲線的曲率最大點，對曲線末端段近直線部分進行一次函數(shù)擬合過曲率最大點做水平線和的切線；

6、繪制水平線和的切線的角平分線聯(lián)立角平分線與末端段近直線部分進行一次函數(shù)得到交點橫坐標，計算得到長期強度。

7、作為本發(fā)明的進一步改進，流變試驗對標準圓柱試樣進行測試的過程，包括：

8、將選取的巖芯試樣加工成標的圓柱形試樣，試樣尺寸為φ50mm×100mm，其圓柱形試樣完好無破損，無缺失；

9、將所得巖芯試樣放在流變試驗儀上，施加恒定圍壓值5mpa，采用恒定圍壓分級增軸壓的加載方式進行分級加載，其第一級應(yīng)力水平為0.5倍的瞬時峰值強度；

10、每級應(yīng)力水平流變時間為72h，再進行下一級加載，在最后一級應(yīng)力水平作用下，經(jīng)歷25.93h后發(fā)生加速流變破壞。

11、作為本發(fā)明的進一步改進，得到擬合曲線的過程，包括：

12、將流變試驗曲線的衰減流變、穩(wěn)態(tài)流變和加速流變階段進行劃分，用計算機對穩(wěn)態(tài)流變階段試驗數(shù)據(jù)進行一次函數(shù)擬合，得到穩(wěn)態(tài)流變速率；

13、繪制穩(wěn)態(tài)流變速率倒數(shù)與應(yīng)力水平對數(shù)的散點圖；

14、通過harris模型對穩(wěn)態(tài)流變速率與應(yīng)力水平對數(shù)的散點圖擬合得到擬合曲線。

15、作為本發(fā)明的進一步改進，得到穩(wěn)態(tài)流變速率的過程，包括：

16、在流變試驗進行期間，采用定時自動采樣，每間隔一定時間記錄更多的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)；對采集數(shù)據(jù)進行異常值檢測，采用3σ規(guī)則刪除明顯偏離的測量值；

17、自動識別并劃分不同的流變階段，劃分出衰減流變、穩(wěn)態(tài)流變及加速流變階段；在劃分階段后，通過計算各階段的數(shù)據(jù)的均方根誤差，動態(tài)評估劃分的合理性；

18、通過灰狼優(yōu)化確定最優(yōu)擬合參數(shù)；選取線性回歸模型，通過交叉驗證及留出法檢測模型的訓(xùn)練效果，一次函數(shù)擬合模型再現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變速率的實際情況；在一次函數(shù)擬合過程中，實施迭代方案，根據(jù)初步擬合結(jié)果調(diào)整擬合參數(shù)，重新評估斜率和截距，直到達到設(shè)定容忍范圍內(nèi)的誤差；利用bootstrap方法進行多次重抽樣，以獲得穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)流變速率的分布。

19、作為本發(fā)明的進一步改進，自動識別并劃分不同的流變階段的過程具體包括以下步驟：

20、從獲取到的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)按時間順序整理，形成一個完整的數(shù)據(jù)集；進行平滑處理，采用滑動平均法或小波變換，去除噪聲；計算應(yīng)力-應(yīng)變曲線的二階導(dǎo)數(shù)，以識別變化大的區(qū)域；計算應(yīng)力與應(yīng)變的斜率，以識別流變行為的變化；

21、設(shè)定動態(tài)閾值，用于識別在應(yīng)力迅速增加或減少時的急劇變化；結(jié)合曲率和斜率的變化情況，確定衰減流變、穩(wěn)態(tài)流變和加速流變的界限；在應(yīng)力和應(yīng)變變化達到設(shè)定閾值時，標記為衰減流變的結(jié)束點；當(dāng)斜率穩(wěn)定且變化幅度小于閾值時，標記為穩(wěn)態(tài)流變段落的起始和結(jié)束點；應(yīng)力或應(yīng)變再次明顯增加并超出閾值時，標記為加速流變的開始點；

22、在每個流變階段內(nèi)，分別計算各階段的均方根誤差，評估切割點的合理性；若某一階段的均方根誤差過高，則重新評估切割點，優(yōu)化劃分；針對劃分結(jié)果進行動態(tài)調(diào)整，若流變段的劃分誤差高于設(shè)定值，自動調(diào)用平滑曲線生成算法，對原始數(shù)據(jù)進行重新平滑。

23、作為本發(fā)明的進一步改進，擬合曲線的獲取過程，包括：

24、在二維坐標系中，將計算出的穩(wěn)態(tài)流變速率的倒數(shù)作為縱坐標，對應(yīng)的應(yīng)力水平的對數(shù)作為橫坐標，繪制出散點圖；通過視覺化散點圖，初步觀察散點的分布趨勢；

25、選擇通過經(jīng)驗法則進行harris模型參數(shù)的初始化，利用非線性優(yōu)化算法最小化預(yù)測值與實際值之間的誤差平方和；

26、動態(tài)記錄每一步的參數(shù)調(diào)整及對應(yīng)的擬合誤差，基于確定的harris模型參數(shù)，生成對應(yīng)的擬合曲線，將其疊加到散點圖上，形成最終的擬合圖。

27、作為本發(fā)明的進一步改進，擬合過曲率最大點做水平線和的切線的過程，包括：

28、依據(jù)曲率公式，利用數(shù)值軟件對擬合曲線進行二次導(dǎo)數(shù)和一階導(dǎo)數(shù)的計算，得到對應(yīng)于應(yīng)力差的曲率值；從曲率變化曲線中，分析數(shù)值數(shù)據(jù)，確定最大曲率值及其對應(yīng)的坐標點；

29、在二維坐標系中，繪制一條與縱軸平行的線，代表在最大曲率處的流變速率；依據(jù)擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)，在該最大曲率點進行局部線性化，計算出切線的斜率，依據(jù)切線的斜率和已知的流變速率值，計算出切線方程，繪制出切線；

30、利用切線的斜率和水平線的斜率計算出平分線的斜率，應(yīng)用三角函數(shù)判斷真實平分線的角度變化；使用確定的斜率，繪制向上傾斜的平分線。

31、作為本發(fā)明的進一步改進，計算得到長期強度的過程，包括：

32、在進行最小二乘法擬合之前，選擇擬合曲線的末端線部分作為目標數(shù)據(jù)；采用最小二乘法對選擇的端線部分進行線性擬合，取得線性關(guān)系方程，描述在高應(yīng)力范圍內(nèi)流變速率與應(yīng)力之間的關(guān)系；

33、依據(jù)最大曲率點的流變速率坐標值，繪制出與縱軸平行的水平線，明確標示出在該特定應(yīng)力差下的流變速率；結(jié)合擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)，在最大曲率點進行局部線性化，計算切線的斜率并得到切線方程，將此切線繪制在圖中，直觀顯示流變速率隨應(yīng)力變化的瞬時響應(yīng)特征；

34、通過切線與新的擬合直線進行相交分析，找到二者的交點，交點的橫坐標代表了材料的長期強度。

35、作為本發(fā)明的進一步改進，采用最小二乘法對選擇的端線部分進行線性擬合的過程，包括：

36、對于每一個數(shù)據(jù)點，選擇一個窗口大小，以數(shù)據(jù)點為中心，選取其周圍的n個點作為局部回歸的參考點；計算每個鄰近數(shù)據(jù)點與當(dāng)前數(shù)據(jù)點的距離；

37、選擇高斯核函數(shù)在局部區(qū)域內(nèi)為每個數(shù)據(jù)點分配權(quán)重；在計算權(quán)重時，對權(quán)重進行歸一化處理；為每個目標點創(chuàng)建權(quán)重矩陣，其對角線元素為每個參考點的權(quán)重；構(gòu)建線性模型，得到最小二乘法的目標；依據(jù)加權(quán)最小二乘法的理論，采用標準最小二乘法求解以加權(quán)數(shù)據(jù)獲取參數(shù)；

38、對每一個輸入點依次重復(fù)上述步驟，針對每一個需估計流變速率的應(yīng)力值都實施基于其鄰域數(shù)據(jù)的加權(quán)線性回歸；通過均勻地進行局部回歸，生成一組局部模型，并結(jié)合得到的權(quán)重，最終形成全局擬合曲線。

39、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下技術(shù)方案：

40、一種基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估系統(tǒng)，其應(yīng)用于所述的基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估方法，所述基于流變試驗的巖芯試樣長期強度評估系統(tǒng)包括：

41、曲線擬合模塊，用于制備標準圓柱試樣，按照流變試驗對標準圓柱試樣進行測試，得到流變曲線，對穩(wěn)態(tài)流變速率倒數(shù)與應(yīng)力水平對數(shù)進行擬合，得到擬合曲線；

42、函數(shù)擬合模塊，用于篩選曲線的曲率最大點，對曲線末端段近直線部分進行一次函數(shù)擬合過曲率最大點做水平線和的切線；

43、強度計算模塊，用于繪制水平線和的切線的角平分線聯(lián)立角平分線與末端段近直線部分進行一次函數(shù)得到交點橫坐標，計算得到長期強度。

44、本發(fā)明制備標準圓柱試樣并進行流變試驗，通過制備直徑50mm和高度100mm的標準圓柱試樣，確保了樣品的一致性，為實驗數(shù)據(jù)提供了可比性和重復(fù)性；執(zhí)行流變試驗，對標準圓柱試樣進行測試，得到了穩(wěn)態(tài)流變速率與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，繪制出流變曲線，使得研究者能夠明確樣品在不同應(yīng)力水平下的流動行為。意義：通過這一測試，獲得了基礎(chǔ)的流變特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用于后續(xù)分析，流變曲線揭示了材料的流動特性，對了解其長期行為至關(guān)重要；穩(wěn)態(tài)流變速率倒數(shù)與應(yīng)力水平對數(shù)的擬合為后續(xù)分析提供了初步的數(shù)學(xué)模型，便于進一步的數(shù)值處理和解析。篩選曲線的曲率最大點及進行一次函數(shù)擬合，通過對擬合曲線的分析，篩選出曲率最大點。這一關(guān)鍵信息反映了材料流變行為的轉(zhuǎn)折點，通常對應(yīng)于樣品內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的顯著變化；對流變曲線的末端段進行一次函數(shù)擬合，能夠簡化復(fù)雜流變行為，從而提取出長期強度相關(guān)的重要信息。意義：曲率最大點通常是評估材料流變特性的關(guān)鍵點，為后續(xù)的強度評估提供了重要的物理意義；通過一次函數(shù)的擬合，使后續(xù)的幾何計算問題變得清晰和可操作，有效地解決了復(fù)雜模型下的數(shù)據(jù)處理問題。繪制角平分線并計算長期強度，通過繪制水平線和切線的角平分線，并找到與末端段近直線部分的一次函數(shù)的交點，精確地定位了長期強度對應(yīng)的參數(shù)，提供了一種幾何和代數(shù)結(jié)合的分析手段；通過交點的橫坐標，可以計算出長期強度的對數(shù)值，再通過換算獲得具體的長期強度值。意義：為評估巖芯試樣的長期強度提供了一種新的定量分析方法，能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)方法中的不足；通過直觀的幾何方法，增強了對材料力學(xué)性能的理解，使得研究者能夠更直觀地把握樣品在不同條件下的強度表現(xiàn)，對地質(zhì)和土木工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用有著重要意義。