[发明专利]一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法

说明书

一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法，步骤为：开展常规三轴试验，先加载围压再加载轴压，轴压加载先采用应力控制方式直到试样屈服，再换为环向变形控制方式直至试样破坏；设定低周疲劳加载参数，先根据常规三轴试验中获取的应力‑应变曲线数据设定蠕变试验的固定应力，将其作为低周疲劳加载的上限应力，同时设定周期载荷频率、加载波形和幅值；开展低周疲劳加载试验，先加载围压再加载轴压，直到轴压达到之前设定的上限应力，同时以设定的周期载荷频率、加载波形和幅值进行加载，直至试样破坏；记录低周疲劳加载试验中获取的应力‑应变曲线数据，从中提取周期载荷的上限应力所对应的应变值，将其等效为蠕变试验中固定应力对应的应变值。

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，特别是涉及一种基于低周疲劳加载等效硬岩蠕变的试验方法。

背景技术

针对地下采矿、隧道工程、水电工程等岩石工程项目，其服务年限一般长达几十年甚至上百年，在使用过程中，这些工程易造成岩体局部或整体发生与时间效应有关的破坏或失稳，因此在工程建设中不仅要考虑施工期间的安全，还要确保在日后长期使用过程中岩体的稳定性。但是，目前时效条件下岩石破坏研究主要针对软岩，而对硬岩的关注相对较少。进入二十一世纪以来，地下工程项目逐渐进入深部发展阶段，而深部高地应力、高地温、高渗透压及较强时间效应等因素，已经成为诱导岩石(尤其是硬岩)产生一系列失稳、破坏的重要因素。因此，开展硬岩时效研究已经成为一项重要的课题。

流变特性是岩石重要的力学特性之一，它是指岩石矿物组构随时间增长不断调整重组，导致其应力应变状态随时间不断变化的性质。岩石流变特性与工程长期稳定性紧密相关，其研究内容主要包括蠕变、松弛、弹性后效及长期强度等，目前而言主要进行蠕变试验。蠕变是指在长时间应力作用下，岩石永久变形不断增长的现象，通过室内试验获得岩石的蠕变形态，进而从试验数据建立岩石蠕变本构方程以服务岩石工程项目。

如图1所示，完整的蠕变曲线一般包含3个阶段，具体为：

①、衰减蠕变阶段

在此阶段，岩石的蠕变曲线向下弯曲，其蠕变速率随时间的增加而减小，若在这一阶段中任一点卸载，岩石的应变会随时间逐步恢复到零，由于卸载后应力与应变的恢复并不同步，应变总是落后于应力，这种现象就称作弹性后效或滞弹性；

②、等速蠕变阶段

在此阶段，蠕变曲线近似为倾斜直线，即蠕变速率保持为常数，若在此阶段的任一时刻卸载，最终将保持一定的不可恢复粘塑性变形，这一阶段的历时长短主要取决于应力水平；

③、加速蠕变阶段

在此阶段，应变速率随时间的增加而增加，由稳态蠕变状态进入加速蠕变将导致试样迅速发生破坏。

如图2所示，蠕变试验包括两种不同的加载方式，第一种是分别加载方式，第二种是分级加载方式。

分别加载是指：将同一种材料的岩块加工成若干个相同的试样，在相同的试验环境下开展不同应力水平的蠕变试验，得到一簇不同应力水平下的蠕变曲线。通过分别加载方式得到的曲线可以不用处理直接利用，但在操作过程中由于每个水平的蠕变试验持续的时间均较长，这将导致试验的工作量剧增。

分级加载是指：在同一试样上逐渐施加不同的应力，即在一级应力水平下蠕变经历给定的时间或到达稳定后，再加下一级应力水平，直至试验结束。分级加载方式相较于分别加载方式时间会大大缩短，尽管如此，往往也需要几天甚至几个月的耗时；除此之外，分级加载方式需要根据线性叠加原理整理得到不同应力水平下的岩石蠕变曲线，即认为岩石是线性流变体，但这与实际情况存在一定的偏差。

蠕变试验所采用的分别加载方式和分级加载方式，除了耗时较长这一不足之处，还存在两个方面的困难：第一，高刚度、高稳定性的岩石流变力学试验设备比较缺乏，研究手段的局限严重制约了对硬岩蠕变特性的试验研究；第二，硬岩变形相对较小，即使是在破坏时其变形的量级也仅为微米级，想要在蠕变试验过程中精确的监测试样的变形存在相当的难度。