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原文传递一种基于三轴应力-应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法

专利名称：	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
摘要：	本发明公开了一种基于三轴应力‑应变曲线的岩石裂缝亚临界扩展速率实验测试方法，包括以下步骤：步骤1、准备实验测试样品的岩心；步骤2、将岩心放入三轴岩石力学测试系统，对岩心施加恒定的径向围压，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，步骤4、在测试岩心的应力‑应变曲线中，在岩心内部裂缝的亚临界扩展阶段的初末点分别对应岩心的裂缝起裂应力σci和损伤应力σcd，并得到测试岩心裂缝亚临界扩展阶段的亚临界扩展速率。本发明的方法简单，结果准确，便于开展试验。
专利类型：	发明专利
申请人：	成都理工大学
发明人：	杨斌;张浩;范宇;宋毅;郑洁;王新阳;佘继平
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T21:00:00+0805
申请号：	CN201911413223.X
公开号：	CN111044367A
代理机构：	北京中索知识产权代理有限公司
代理人：	房立普
分类号：	G01N3/08;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/08
申请人地址：	610000 四川省成都市二仙桥东三路1号
主权项：	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，该阶段反应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σci，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σcd，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σc；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σci和损伤应力σcd；当外加轴向应力大于裂缝起裂应力σci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σcd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σci和损伤应力σcd，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σci和损伤应力σcd所对应的裂缝亚临界扩展阶段的初末时间Tci和Tcd；再进一步根据断裂力学理论计算裂缝起裂应力σci和损伤应力σcd所对应的裂缝缝长Cci和Ccd；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； Tci，Tcd—测试岩心加载过程中裂缝亚临界扩展阶段的初末时刻，s； Cci，Ccd—测试岩心裂缝亚临界扩展阶段初末时刻的裂缝缝长，m。 2.根据权利要求1所述的一种基于三轴应力-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，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(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σci；此时的裂缝起裂应力σci即为岩心的损伤应力。 3.根据权利要求2所述的一种基于三轴应力-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，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： εv＝εev+εfv (2) 式中：εv—测试岩心在加载过程的总体积应变，无因次； εev—测试岩心在加载过程的弹性体积应变，无因次； εfv—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： εv＝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可以通过下式计算：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。 4.根据权利要求3所述的一种基于三轴应力-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，步骤6、在裂缝亚临界扩展阶段即阶段III，虽然测试岩心的裂缝体积开始由压缩转变为扩容，但岩心总体仍处于受压状态，且总体积应变随轴向应变的增大而增大；但当岩心裂缝进入非稳定扩展阶段即阶段IV时，裂缝扩展速率急剧增大，岩心总体积由压缩转变为膨胀，总体积应变开始随轴向应变的增大而减小；测试岩心的总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损伤应力σcd；步骤7、根据前述实验测试和计算结果，以岩心的轴向应变为横坐标，分别绘制轴向应力-轴向应变曲线，即应力-应变曲线、裂缝体积应变-轴向应变曲线和总体积应变-轴向应变曲线；通过裂缝体积应变和总体积应变随轴向应变先增加而后较小的转择点，可以直接在应力-应变曲线上确定裂缝亚临界扩展阶段即阶段III初末点所应对的岩心起裂应力σci和损伤应力σcd；并进一步绘制测试过程轴向应力-加载时间曲线，通过岩心起裂应力和损伤应力值确定裂缝亚临界扩展阶段即阶段III初末时刻Tci和Tcd。 5.根据权利要求4所述的一种基于三轴应力-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，步骤8、对于径向围压和轴向同时受压的测试岩心，其内部裂缝处于受压闭合状态，则裂缝面上的有效剪应力表示为：式中：τeff—测试岩心在裂缝面上受到的有效剪应力，MPa； τn、σn—测试岩心在裂缝面上受到的剪应力和正应力，MPa； μ—测试岩心裂缝面摩擦系数，无因次； β—测试岩心裂缝面倾角，°；测试岩心内部裂缝尖端的应力强度因子为：式中：KII—测试岩心在裂缝尖端的II型剪切应力强度因子，MPa·m0.5； C—测试岩心裂缝在某应力状态下的裂缝长度，m；当岩心内部裂缝尖端的应力强度因子KII大于岩心的断裂韧性KIIC时，岩心裂缝将进入非稳定扩展阶段即阶段IV；同时，由于测试岩心内部裂缝不止一条，因此优先进入非稳定扩展阶段的裂缝倾角通常满足如关系式：当岩心内部裂缝尖端的应力强度因子KII刚好等于断裂韧性KIIC时，即岩心裂缝刚好处于裂缝亚临界扩展阶段即阶段III与非稳定扩展阶段即阶段IV的临界点，此时岩心受的轴向应力刚好等于其损伤应力，结合公式(6)～(8)可以得到如下关系式：在得到测试岩心的损伤应力的相关参数后，根据公式(9)即可求得测试岩心在裂缝亚临界扩展结束时刻的缝长Ccd；步骤9、对于尚未发生裂缝亚临界扩展的测试岩心，其内部仅发育微裂缝，在刚进入裂缝亚临界扩展阶段的初始时刻，岩心裂缝长度往往仅有数微米至数十微米，远小于岩心裂缝亚临界扩展阶段结束时刻的缝长，因而通常情况下，初始缝长Cci可以近似取值为零；根据前述实验测试和计算，得到测试岩心裂缝亚临界扩展初末时刻的缝长Cci和Ccd和对应时间Tci和Tcd后，根据公式(1)计算得到岩心在裂缝亚临界扩展阶段的裂缝亚临界扩展速率。 6.根据权利要求1所述的一种基于三轴应力-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，实验测试样品的岩石为圆柱体，其切割直径为2.5cm，长度为5.0cm的岩心，且要求岩心无肉眼可见裂缝，岩心设定的烘干温度为60℃。
所属类别：	发明专利