[发明专利]一种岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法及其应用

权利要求书

1.一种岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于，该测试方法按以下步骤进行：

a.将直径为H，高度为D的圆柱岩石试样装入密封套管内，圆柱岩石试样上下端面均放置渗透垫片，将密封套管固定于三轴室（19）内的压头（1）与底座（2）之间，围绕密封套管四周在压头（1）与底座（2）之间均匀安装至少两个LVDT（3），使LVDT（3）能采集圆柱岩石试样加载过程中的轴向变形数据，即压头上部活塞（4）的位移量，LVDT为线性可变差动变压器；

b.使压头（1）与底座（2）上下合紧后，利用真空泵（6）从三轴室（19）抽出油和空气，并保持真空度，再使三轴室（19）充满油，使能向三轴室（19）充油的第一电机伺服泵（9）充满油；

c.使向压头上部活塞（4）上端施压的偏压室（20）充满油，使能向偏压室（20）充油的第二电机伺服泵（13）充满油；

d.使能从压头（1）及底座（2）向圆柱岩石试样上下端面充水的第三电机伺服泵（16）充满水；

e.通过第一电机伺服泵（9）向三轴室（19）充油，加载围压到设定值并维持恒定，记录第一电机伺服泵（9）泵内活塞位置对应的油量容积；

f.通过第三电机伺服泵（16）向圆柱岩石试样上下端面充水，加载孔隙压力p到设定值并维持恒定；

g.通过第二电机伺服泵（13）向偏压室（20）充油，加载偏压力为，待轴压达到所述圆柱岩石试样抗压强度的50~80%并维持恒定；

h.采集圆柱岩石试样轴向变形初始数据 和第一电机伺服泵（9）内初始油量体积；

i 待t时刻采集圆柱岩石试样轴向变形数据和第一电机伺服泵（9）内当前油量体积

t时刻岩石试样长期轴向应变和体积应变分别为：

其中，为压头上部活塞的直径，

为压头上部活塞移动引起的排油量耗损值；

根据应变分量定义，得到轴向偏应变为：

绘出圆柱岩石试样体积应变 随时间的关系曲线以及轴向偏应变 随时间的关系曲线，即得到了岩石试样在不同应力分量下的长期变形规律。

2.如权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于：所述的第一电机伺服泵（9）的刻度精确到10^-3mm³且能通过泵内活塞位置读取泵内油量体积数据。

3.如权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于：所述三轴室（19）内壁中的充油管（22）通过第一三向阀门（5）分别与真空泵（6）和油箱（10）连通，其中第一三向阀门（5）关闭时，充油管（22）与真空泵（6）连通，形成抽真空回路；第一三向阀门（5）打开时，充油管（22）与油箱（10）连通，形成下游充油回路。

4.如权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于：所述三轴室（19）上端中的加压油管依次通过第一阀门（7）、第一电机伺服泵（9）、第二阀门（8）连通油箱（10），形成围压加载回路。

5.如权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于：所述偏压室（20）依次通过第三阀门（11）、第二电机伺服泵（13）、第四阀门（12）连通油箱（10），形成偏压加载回路。

6.如权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，其特征在于：所述压头（1）及底座（2）的渗透通道（23）分别连通第二三向阀门（14）和第三电机伺服泵（16），第二三向阀门（14）还分别连通第五阀门（15）和第三电机伺服泵（16），第五阀门（15）还连通水箱（17），所述第二三向阀门（14）关闭，第五阀门（15）打开时，水箱（17）连通第三电机伺服泵（16）；所述第二三向阀门（14）打开，第五阀门（15）关闭时，压头（1）及底座（2）的渗透通道（23）分别连通第三电机伺服泵（16），形成孔隙压力加载回路。

7.基于权利要求1所述的岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法在岩体工程长期稳定性分析与时效变形预测的应用，其特征在于：根据圆柱岩石试样在球应力分量和偏应力分量两种应力状态的下体积应变和偏应变随时间的演化曲线分别获得球应力分量和偏应力分量的蠕变模型参数，应用于岩体工程长期稳定性分析与时效变形预测；

具体包括以下步骤：

1）根据体积应变和轴向偏应变演化曲线中初始体积应变和初始轴向偏应变，将初始时刻步骤g加载的轴压、步骤e加载的围压、步骤f加载的孔隙压力p带入蠕变模型的初始方程，求得弹性参数：体积模量和剪切模量；

其中，t=0时刻的初始方程为：

；其中，为平均应力；

2）根据体积应变随时间的演化曲线上开始时刻的N组体积应变数据和模型计算得到的体积应变计算值，以模型中球应力分量下的蠕变模型参数，，作为未知参数，利用目标函数和最小二乘法求得球应力分量下蠕变模型参数，，；

其中目标函数为：，N3；

其中体积应变计算值由下式求得：

；

3）根据轴向偏应变随时间的演化曲线上开始时刻的N组轴向偏应变数据和模型计算得到的轴向偏应变计算值，以模型中偏应力分量下的蠕变模型参数，，作为未知参数，利用目标函数和最小二乘法求得偏应力分量下蠕变模型参数，，；

其中目标函数为：，N3；

其中轴向偏应变计算值由下式求得：

。