[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

说明书

本发明公开了一种岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，属于岩石力学性质测试范畴。该方法利用不同电机伺服泵分别加载和维持试验岩样的围压、轴压以及孔隙水压力，实现三轴应力和孔隙水压力条件下的恒内压与恒外压加载模式，同时定位围压电机伺服泵内活塞位置记录泵内油量体积，通过轴向压头横截面积和轴向位移消除轴向加载过程中活塞位移耗损三轴室内油量体积对试验岩样体积变形测量造成的误差，利用泵内油量体积变化数据得到试验岩样在恒内压与恒外压条件下的体积应变数据，结合轴向变形数据，通过公式计算分别得到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关系。本发明还公布了所述长期变形测试方法的应用。

技术领域

本发明涉及一种岩石在不同应力分量下的长期变形测试方法，属于岩石力学性质测试范畴。主要用于研究围岩在球应力分量和偏应力分量两种应力分量状态的下体积应变和偏应变随时间的演化规律，和分析岩体工程长期稳定性与预测岩体工程时效变形。

背景技术

岩石长期变形一直是岩石力学领域十分关注的方向。随着我国深部地下工程的推广，岩体工程的长期稳定性和安全性是工程的重中之重。许多地下工程岩体在运营期甚至施工期就会出现明显的随时间增长的变形现象。其中较软岩石表现为明显的大变形现象，较硬的岩石表现为随着时间的推移由里向表逐渐开裂，最终在表面产生较大的位移甚至破坏，对于具有孔隙结构的储层岩石，在外部荷载和内水压力共同作用下表现为压密和膨胀变形随时间持续变化，反映到地面则是出现持续性的地表隆起或者塌陷。

在力学上，岩石的长期变形现象也叫做蠕变现象。国内外许多学者通过开展岩石流变力学特性实验和本构模型研究岩石在不同条件下的蠕变特性。岩石长期变形规律是岩体工程的长期稳定性和安全性的研究关键。传统蠕变模型中往往认为粘性变形是由偏应力导致，球应力仅引起的变形不具备时间相关性，然而岩石作为天然材料本身具有孔隙结构或者微裂纹(裂隙)，在工程条件下外部荷载发生变化或者地下水条件发生改变都会引起孔隙结构发生改变或者裂隙的萌生、延伸、张开、闭合。岩石材料的天然缺陷以及不同工况下积累的损伤导致岩石体积变形随时间发生改变，使得其在不同应力分量下表现出不同的蠕变特性：在球应力作用下表现出体积蠕变；在偏应力作用下表现出剪切蠕变。

目前，研究不同状态下的岩石长期变形试验方法例如，中国专利公开号：110346218A公开日期：2019.10.18发明名称为“一种基于不同开采应力路径下的岩石蠕变试验方法”，该发明专利考虑了深部煤炭资源开采后应力环境的实际改变情况，采用升轴压卸围压的方式进行蠕变试验，分别通过轴向和环向传感器获得轴向和横向位移。该专利没有考虑体积变形的时间相关性，而且环向传感器需要施加足够的压力箍紧在岩石试样的橡胶套外层，导致获得的变形数据由于局部挤压引起的热塑套管或者橡胶套管的长期变形无法被消除，导致测试精度不够高，尤其是对于较硬岩石的长期变形监测误差较大。而且这种环向传感器仅能获取局部变形量，这与轴向传感器测得的试样全高度变形量不对等，由此测得的径向变形不具备代表性。因此，环向变形数据也应考虑岩石的非均质变形特性，获取岩石试样的全高度环向变形数据。直接测量岩石试样的体积变形是解决这一难题的关键。在岩石长期体积变形测量方面，中国专利公开号：111272562A公开日期：2020.06.12发明名称为“一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法”，提了利用磁致伸缩液位计监测计算蠕变体积变形。该方法需要多次切换气体和液体模式加载围压，以确保量程范围，过程繁琐，不易操作，轴压加载过程对维持围压的恒定有一定影响。该变形测量精度不足0.1mm³，无法满足硬岩小变形情况下的高精度测量需求。此外，该发明专利未考虑岩石试样内部孔隙水压力对体积变形的影响。因此，该装置无法测试岩样在恒内压与恒外压条件下的体积变形数据，进而无法得恒内压与恒外压环境中球应力分量和偏应力分量两种应力状态的下岩石体积应变和偏应变随时间的关系。

发明内容