[发明专利]一种基于三轴应力-应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法

权利要求书

1.一种基于三轴应力-应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备实验测试样品：钻取并切割出实验所用岩心，再将岩心处于设定温度下烘干至恒重；

步骤2、将烘干后的岩心放入GCTS三轴岩石力学测试系统，对岩心施加一个恒定的径向围压，再沿轴向施加轴向应力，直至岩心发生宏观破坏，同时记录加载测试全过程岩心的轴向应力、应变和对应加载时间的实验参数；

步骤3、根据实验加载过程轴向应力与轴向应变的检测数据点，绘制测试岩心的应力-应变关系曲线，曲线划分为五个阶段：

I、压实阶段，该阶段反映 的是岩心内部裂缝在应力下闭合，但对于致密岩心，此阶段往往不明显且难以区分；

II、弹性变形阶段，该阶段岩心内部颗粒间孔隙被压缩变形，但裂缝不发生扩展，岩心处于一种均匀的变形状态，本阶段应力-应变曲线近似直线；

III、裂缝稳定扩展阶段，该阶段的起始点对应测试岩心的起裂应力σ_ci，当外加应力大于起裂应力时，岩心内部已有的微小裂缝将随载荷增大而缓慢生长，引起岩石总体积膨胀，随着进一步发展，岩心所含外微裂缝排列开始出现定向行为，本阶段应力-应变曲线也近似直线；

IV、裂缝非稳定扩展阶段，此阶段的起始点处的应力被称为裂缝损伤应力σ_cd，从该点开始裂缝扩展速率急剧增大，岩心由体积压缩转为体积扩容，裂缝将进入非稳定扩展阶段并开始汇合，最终导致试件完全破坏；

V、峰后变形阶段，该阶段的起始点为曲线峰值应力，也即岩心的单轴/三轴抗压强度σ_c；

步骤4、在测试岩心的应力-应变曲线中，阶段III即为岩心内部裂缝的亚临界扩展阶段，该阶段的初末点分别对应岩心的裂缝起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd；当外加轴向应力大于裂缝起裂应力σ_ci时，裂缝将持续缓慢扩展，但当外加应力消失后，裂缝将停止扩展，不会导致岩心宏观破坏；当外加轴向应力大于裂缝损伤应力σ_cd时，裂缝进入快速的非稳定扩展阶段即阶段IV；

通过测试岩心的应力-应变曲线计算得到裂缝起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd，同时根据测试过程监测得到的轴向应力与时间关系，得到起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd所对应的裂缝亚临界扩展阶段的初末时间T_ci和T_cd；再进一步根据断裂力学理论计算裂缝起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd所对应的裂缝缝长C_ci和C_cd；然后根据公式(1)可计算得到测试岩心裂缝亚临界扩展阶段即阶段III的亚临界扩展速率：

式中u—测试岩心裂缝亚临界扩展阶段的亚临界扩展速率，m/s；

T_ci，T_cd—测试岩心加载过程中裂缝亚临界扩展阶段的初末时刻，s；

C_ci，C_cd—测试岩心裂缝亚临界扩展阶段初末时刻的裂缝缝长，m；

步骤5、在测试岩心的应力-应变曲线中，在裂缝亚临界扩展阶段即阶段III以前，裂缝不发生扩展，通常处理受压缩状态，因而岩心的裂缝体积应变为通常随轴向应变的增大而增大；进入裂缝亚临界扩展阶段即阶段III后，岩心内部已有的微小裂缝将随轴向应力增大而缓慢扩展，引起岩心总体积膨胀，岩心裂缝体积开始由受压变为扩容，因而其裂缝体积应变开始随着轴向应变的增大而减小；测试岩心的裂缝体积应变随轴向应变由增加变为减小的转折点所对应的轴向应力即为岩心的裂缝起裂应力σ_ci；

对于测试岩心，其加载过程中的总体积应变εv由弹性体积应变和裂缝体积应变组成：

ε_v＝ε_ev+ε_fv (2)

式中：ε_v—测试岩心在加载过程的总体积应变，无因次；

ε_ev—测试岩心在加载过程的弹性体积应变，无因次；

ε_fv—测试岩心在加载过程的裂缝体积应变，无因次；

同时，测试岩心的总体积应变也与其轴向应变和径向应变满足如下关系：

ε_v＝ε₁+2ε₃ (3)

式中：ε₁，ε₃—测试岩心在加载过程的轴向应变和径向应变，无因次，可通过岩心的应力-应变曲线测试过程直接监测得到；

根据胡克定律，岩石理论上的弹性体积应变通过下式计算：

式中：σ₁—测试岩心在加载过程的轴向应力，MPa；

σ₃—测试设备对岩心所施加的恒定围压径向应力，MPa；

E—测试岩心的弹性模量，GPa；

ν—测试岩心的泊松比，无因次；

结合公式(2)～(4)，即可得到测试岩心的裂缝体积应变计算公式如下：

根据计算结果，以轴向应变为横坐标，绘制岩心在测试过程的裂缝体积应变-轴向应变关系曲线。