[发明专利]一种基于轴向应力响应的裂纹闭合应力确定方法

说明书

本发明公开了一种基于轴向应力响应的裂纹闭合应力确定方法，其包括基于试验数据点集建立岩石试样的轴向应变‑轴向应力关系对应的曲线图；在岩石试样的轴向应变‑轴向应力关系对应的曲线图的线弹性阶段中选择初始点P(ε_p,σ_p)；获取各个试验数据点(ε_i,σ_i)与初始点P(ε_p,σ_p)之间的两点连线的斜率；获取弹性模量E；获取轴向应变‑轴向应力对应的参考直线σ＝Eε；建立轴向应变‑轴向应力差对应的曲线图；获取轴向应变‑轴向应力差对应的曲线图中的反弯点，该反弯点对应的轴向应力为裂纹闭合应力σ_cc。本发明有效解决了压密点的确定问题，显著提高了裂纹闭合应力σ_cc获取的准确性，排除了现有方法中人为主观臆断对裂纹闭合应力的影响。

技术领域

本发明涉及工程结构技术领域，尤其是涉及一种基于轴向应力响应的裂纹闭合应力确定方法。

背景技术

受复杂地质构造作用以及如开挖扰动、地震、微震等环境因素的影响，天然岩石材料或多或少含有原生细观微裂纹，压缩情况下的岩石宏观变形特性与细观微裂纹的闭合、萌生、扩展以及贯通作用密切相关^[1,2]，研究微裂纹发育与宏观应力阈值之间的对应特性对深部隧道、地下储存库等地下工程的稳定性评价具有重要意义。

在过去的60多年里，岩石处于压缩条件下的力学特性已得到广泛研究^[3]。一般来说，如图1所示，岩石压缩破坏过程中存在4个关键的应力阈值，即裂纹闭合应力(σ_cc)、起裂应力(σ_ci)、损伤应力(σ_cd)和峰值应力(σ_c)，四大应力阈值将岩石压缩破坏过程分为5个阶段，即裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定增长阶段、裂纹不稳定增长阶段和峰后阶段。相对起裂应力、损伤应力和峰值应力而言，裂纹闭合应力并没有引起足够重视，对裂纹闭合应力(σ_cc)的研究相对较少^[4,5]。

然而，从细观角度而言，裂纹闭合应力(σ_cc)是在轴向应力作用下，岩石内部原有微裂纹恰好完全闭合，不再随轴向应力变化的应力阀值；从宏观角度而言，裂纹闭合应力(σ_cc)是岩石压缩过程初始宏观变形由非线性压密阶段转为准线性阶段的转折点对应的应力阈值。裂纹闭合应力(σ_cc)的确定对客观描述岩石的宏观破坏行为、评价岩石的现场强度具有重要指导意义^[6]。

现有的Peng et al.^[7]研究了裂纹闭合对岩石压缩破坏宏观力学特性的影响，依据有效介质理论(effective medium theory)和试验结果提出了一个表征裂纹闭合效应的定量经验模型。Martin and Chandler^[8]通过计算裂纹体积应变，认为裂纹体积应变为0的起始点是岩石的裂纹闭合应力即裂纹体积应变法。因为计算裂纹体积应变需要用到岩石的弹性模量E和泊松比，因此该方法的精度严重依赖于这两个弹性参数的准确确定。而Eberhardt et al.^[9]指出，泊松比受岩样内部微裂纹影响较大，即对于内部含有大量微裂纹的岩石，该方法不再适用。张晓平et al.^[10]对硅质粉砂岩试样进行单轴压缩试验，在裂纹体积应变法的基础上提出了基于移动点回归技术的改进裂纹体积应变法。Zhang et al.^[5]建立了能反映岩石初始宏观非线性变形与微裂纹闭合之间关系的压缩本构模型，并基于本构模型提出了一种确定裂纹闭合应力σ_cc的方法。

上述确定裂纹闭合应力(σ_cc)的方法需要用到弹性模量E，而弹性模量E作为图1所示的典型轴向应力-轴向应变示意图中线弹性阶段(σ_cc-σ_ci段)的斜率，弹性模量E准确确定需要用到裂纹闭合应力(σ_cc)，这就陷入了一个自证的误区。