[发明专利]确定不同渗透压力对单轴压缩灰岩压密阶段变形影响的方法

权利要求书

1.一种确定不同渗透压力对单轴压缩灰岩压密阶段变形影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取完整岩块，采用钻心法进行取样，得N个岩石标准试样，然后将N个岩石标准试样平均分为四组；

2)将各组岩石标准试样进行烘干；

3)将各岩石标准试样的顶部与注水装置之间通过环氧树脂与固化剂的混合物进行连接，然后在各岩石标准试样的表面涂覆止水剂；

4)通过注水装置以4MPa/min的升压速率对各组岩石标准试样内部进行注水，当各组岩石标准试样的注水压力达到设计值后保持预设时间；其中，四组岩石标准试样注水压力的设计值分别为0MPa、2MPa、4MPa和6MPa；

5)在各岩石标准试样的底部涂覆润滑剂，然后再利用伺服试验机以2kN/s的速率对岩石标准试样进行加载，直至破坏为止，在加载过程中，实时采集岩石标准试样应力、应变数据以及AE特性，并绘制岩石的应力-应变曲线；

6)根据岩石压密阶段特性，建立符合岩石变形特性的本构模型函数表达式；

7)根据岩石的应力-应变曲线以及压密阶段的本构模型函数表达式，确定模型参数，根据模型参数确定不同渗透压力对单轴压缩灰岩压密阶段变形影响；

步骤6)具体操作为：

由于岩石压密过程中，孔隙逐渐减小，岩石的弹性模量E_n逐渐增大，当岩石完全压密时，岩石的弹性模量E_n为弹性阶段的弹性模量E，因此引进压密因子D_n来反映岩石的压密情况，则有：

其中，ξ为水压力影响因子，D_n为压密因子，D_n的取值范围为0～1，当D_n＝0时，则表示岩石内的初始孔隙尚未被压缩，岩石的弹性模量E_n为E/(1+ξ)；当D_n＝1时，则表示岩石已经达到极限孔隙比，岩石内的闭合孔隙完全闭合，岩石的弹性模量E_n即为弹性阶段岩石弹性模量E；

压密因子D_n的表达式为：

其中，n₀为初始孔隙率，n为轴向应变为ε时的孔隙率，n_r为残余孔隙率，即为岩石应变为ε_a的孔隙率，ε_a为岩石压密变形量，则有：

其中，v_p0、v_p及v_pr分别为初始孔隙体积、轴向应变为ε时的孔隙体积和残余孔隙体积；v₀、v及v_r分别为岩石初始总体积、轴向应变为ε时的总体积和残余总体积；

设岩石的横截面积为常数s，则岩石各状态下的体积为：

将式(3)、式(4)代入式(2)中，得：

令则有：

由于岩石高度远大于岩石压密变形量，因此式(6)近似为：

将式(7)代入式(1)，得任意时刻岩石的弹性模量E_n为：

则有，ε≤ε_a时，岩石压密阶段的本构模型函数表达式为：

步骤7)中确定模型参数的具体过程为：

压密变形量ε_a的确定：比较岩石加载前和损伤应力点间的连线与应力-应变曲线之间的最大轴向应变差，确定岩石的闭合应力及其对应的应变；求取4组试验中各组灰岩的平均压密变形量ε_a，再将各组灰岩的平均压密变形量ε_a与渗透水压力P进行拟合，得压密变形量ε_a与渗透水压力P的关系式为：

ε_a＝a₁P+b₁ (10)

弹性阶段的弹性模量E的确定：弹性模量E为岩石应力应变曲线的斜率，取岩石应力-应变曲线的线性端两点之间斜线的斜率，再求取各组灰岩对应斜率的平均值，然后将四组灰岩对应的斜率平均值进行拟合，得弹性模量E与渗透水压力P的关系式为：

E＝a₂P+b₂ (11)

水压力影响因子ξ的确定：求取灰岩在预设渗透压力下的弹性模量E，再取灰岩在该预设渗透压力下压密阶段采集到的任意相邻三点x、y、z的数据，再求取x及z两点的应力差与应变差之比值，该比值即为y点的弹性模量E_ny，将y点的弹性模量E_ny、应变ε_y以及弹性阶段的弹性模量E代入公式(11)中，得该预设渗透压力下的水压力影响因子ξ：

将不同预设渗透压力下的水压力影响因子ξ进行拟合，得水压力影响因子ξ与渗透水压力P关系为：

其中，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃及c均为拟合参数。