本發(fā)明屬于巖石力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種恒定功率加載的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

目前，被廣泛采用的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)加載方式有兩種：一種是恒定速率加載模式，即單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)機(jī)壓頭的位移為固定值；另一種是恒定壓力梯度加載模式，即單位時(shí)間內(nèi)借由試驗(yàn)機(jī)壓頭施加在巖石試樣上的壓力的增量為固定值。通過采用此兩種加載方式進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)加載速率與壓力梯度定量化、標(biāo)準(zhǔn)化，研究人員可以獲得大量橫向可類比的巖石基本力學(xué)參數(shù)，這些力學(xué)參數(shù)對(duì)巖石工程建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。但值得關(guān)注的是，這兩種加載方式在真實(shí)的巖體受力狀態(tài)中幾乎是不存在的，是研究者們?yōu)榱搜芯繋r石的力學(xué)性質(zhì)而設(shè)計(jì)出的簡(jiǎn)單化與規(guī)范化的實(shí)驗(yàn)方法。

大量工程實(shí)踐表明，在巖體工程開挖后，一方面圍巖向開挖空區(qū)內(nèi)收縮，具有初始變形速度，隨后變形速度逐漸減慢，直至巖體工程趨于穩(wěn)定或破壞；另一方面，巖體工程開挖后的卸荷效應(yīng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力突增，此后隨著巖體不斷向開挖空區(qū)內(nèi)擠壓，周邊圍巖的應(yīng)力繼續(xù)升高，但升高的速率會(huì)逐漸減慢，直至巖體工程趨于穩(wěn)定或破壞。因此，關(guān)于巖體工程的圍巖變形規(guī)律與破壞模式研究，采用恒定速率加載模式與恒定壓力梯度加載模式進(jìn)行相關(guān)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不適合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種恒定功率加載的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，所述方法基于恒定功率加載模式，使巖石的變形及受力變化過程更加符合實(shí)際情況，有效彌補(bǔ)恒定速率加載模式和恒定壓力梯度加載模式在實(shí)驗(yàn)過程中的不足，可以更為準(zhǔn)確地反映巖石變形規(guī)律與破壞特征。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種恒定功率加載的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：在設(shè)有恒定速率加載控制模塊和恒定壓力梯度加載控制模塊的試驗(yàn)機(jī)上增加恒定功率加載控制模塊，用于控制單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)機(jī)壓頭的加載速率與壓力的乘積為定值；

步驟二：將巖石試樣安放于試驗(yàn)機(jī)上，并將聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭安裝在巖石試樣表面；

步驟三：在恒定速率加載控制模式下對(duì)所述巖石試樣施加壓力，加載速率保持為V；

步驟四：待巖石試樣受力達(dá)到設(shè)定值F，此時(shí)，巖石試樣的受載功率達(dá)到P，P=F×V，將所述恒定速率加載控制模式切換為恒定功率加載控制模式，在試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試樣施加的壓力不斷增大的同時(shí)降低加載速率，但始終保持加載速率與壓力的乘積為定值P，直至巖石試樣完全破壞，在此過程中監(jiān)測(cè)并記錄試驗(yàn)機(jī)的壓力和壓頭位移、巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)；

步驟五：根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的壓力、位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，分析巖石試樣的破壞規(guī)律。

上述方法中，所述加載速率V滿足：0.00001<V<2，mm/s。

上述方法中，所述待巖石試樣受力達(dá)到設(shè)定值F，F的取值范圍為0.1<F<300，kN。

上述方法中，所述加載速率與壓力的乘積為定值P，P的取值范圍為0.000001<P<600，W。

上述方法中，所述聲發(fā)射信號(hào)包括撞擊率、累積撞擊率、能量率、累積能量率、b值。

上述方法中，所述試驗(yàn)機(jī)包括單軸加載試驗(yàn)機(jī)、雙軸加載試驗(yàn)機(jī)以及三軸加載試驗(yàn)機(jī)。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明基于恒定功率加載控制模式，在試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試樣施加的壓力不斷增大的同時(shí)降低加載速率，更加符合巖體工程開挖后圍巖的變形及受力變化過程，有效彌補(bǔ)恒定速率加載模式和恒定壓力梯度加載模式在實(shí)驗(yàn)過程中的不足，可以更為準(zhǔn)確地反映巖石的破壞規(guī)律。而且，采用恒定功率加載控制模式，可以保持規(guī)范化、可類比的實(shí)驗(yàn)條件，便于研究人員的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛比較研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中采用的雙軸加載試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述雙軸加載試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，可用于測(cè)定巖石與混凝土等材料的剪切強(qiáng)度，其中1—巖石試樣、2—巖石試樣的雙平行結(jié)構(gòu)面、3—雙軸加載試驗(yàn)機(jī)、4—法向應(yīng)力壓頭、5—上部活動(dòng)壓板、6—水平剪切應(yīng)力壓頭、7—下部固定壓板、8—壓力伺服控制與應(yīng)力位移記錄系統(tǒng)、9—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭、10—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切速率與剪切應(yīng)力—時(shí)間曲線。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切應(yīng)力與聲發(fā)射撞擊率—時(shí)間曲線。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切應(yīng)力與聲發(fā)射能量率—時(shí)間曲線。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切應(yīng)力與累積聲發(fā)射撞擊數(shù)—時(shí)間曲線。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切應(yīng)力與累積聲發(fā)射能量—時(shí)間曲線。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的花崗巖的剪切應(yīng)力與b值—時(shí)間曲線。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中采用的單軸加載試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，該類試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，可用于測(cè)定巖石與混凝土等材料的彈性模量與泊松比等基本參數(shù)，其中1—巖石試樣、4—法向應(yīng)力壓頭、5—上部活動(dòng)壓板、7—下部固定壓板、8—壓力伺服控制與應(yīng)力位移記錄系統(tǒng)、9—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭、10—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、11—單軸加載試驗(yàn)機(jī)。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的加載速率與壓應(yīng)力—時(shí)間曲線。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的壓應(yīng)力與聲發(fā)射撞擊率—時(shí)間曲線。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的壓應(yīng)力與聲發(fā)射能量率—時(shí)間曲線。

圖12為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的壓應(yīng)力與累積聲發(fā)射撞擊數(shù)—時(shí)間曲線。

圖13為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的壓應(yīng)力與累積聲發(fā)射能量—時(shí)間曲線。

圖14為本發(fā)明實(shí)施例2的砂巖的壓應(yīng)力與b值—時(shí)間曲線。

圖15為本發(fā)明實(shí)施例3中采用的單軸加載試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，該類試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，配合楔形壓板可用于劈裂巖石，測(cè)定巖石與混凝土等材料的抗拉強(qiáng)度，其中1—巖石試樣、4—法向應(yīng)力壓頭、5—上部活動(dòng)壓板、7—下部固定壓板、8—壓力伺服控制與應(yīng)力位移記錄系統(tǒng)、9—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭、10—聲發(fā)射監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、11—單軸加載試驗(yàn)機(jī)。

圖16為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的加載速率與拉應(yīng)力—時(shí)間曲線。

圖17為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的拉應(yīng)力與聲發(fā)射撞擊率—時(shí)間曲線。

圖18為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的拉應(yīng)力與聲發(fā)射能量率—時(shí)間曲線。

圖19為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的拉應(yīng)力與累積聲發(fā)射撞擊數(shù)—時(shí)間曲線。

圖20為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的拉應(yīng)力與累積聲發(fā)射能量—時(shí)間曲線。

圖21為本發(fā)明實(shí)施例2的大理巖的拉應(yīng)力與b值—時(shí)間曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

實(shí)施例1

一種恒定功率加載的花崗巖雙結(jié)構(gòu)面剪切實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：在設(shè)有恒定速率加載控制模塊和恒定壓力梯度加載控制模塊的300kN雙軸加載試驗(yàn)機(jī)（結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示）上增加恒定功率加載控制模塊，用于控制單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)機(jī)壓頭的加載速率與壓力的乘積為定值；

步驟二：將經(jīng)過巴西劈裂的花崗巖試樣安放于雙軸加載試驗(yàn)機(jī)上，花崗巖試樣尺寸為100mm×100mm×140mm（長(zhǎng)×寬×高），雙結(jié)構(gòu)面將該巖石試樣分成上、中、下三部分，厚度分別為50mm，40mm，50mm；并將4個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭安裝在花崗巖試樣底部表面，前后表面各兩個(gè)，如圖1所示；

步驟三：在豎直方向上，對(duì)花崗巖試樣按照0.5mm/s的恒定速率逐漸施加100kN的法向力并保持恒定；在水平方向上，固定花崗巖試樣底部，并按照0.5mm/s的恒定速率對(duì)試樣上部施加初始水平推力；

步驟四：待花崗巖試樣水平方向的受力達(dá)到設(shè)定值30kN，即花崗巖的受載功率達(dá)到15W，將所述恒定速率加載控制模式切換為恒定功率加載控制模式，繼續(xù)增大對(duì)巖石試樣施加壓力的同時(shí)降低加載速率，始終保持加載速率與壓力的乘積為定值15W，直至巖石試樣完全破壞，在此過程中監(jiān)測(cè)并記錄直剪試驗(yàn)機(jī)的壓力、壓頭速率和位移、巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)（撞擊率、累積撞擊率、能量率、累積能量率、b值），圖2~7分別提供了巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)時(shí)間的曲線；

步驟五：根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的壓力、位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，分析雙結(jié)構(gòu)面花崗巖試樣在恒定功率剪切實(shí)驗(yàn)條件下的破壞規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒定功率加載實(shí)驗(yàn)條件下，花崗巖試樣的剪切速率不斷下降，剪切應(yīng)力逐漸增加但增加速率不斷減慢（如圖2所示）。同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的變化特征表明（如圖3~7所示），在恒定功率加載條件下，巖石試樣聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律與在恒定速率或恒定壓力梯度加載條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有比較明顯的不同，聲發(fā)射撞擊率并不是隨著剪切應(yīng)力的提高而持續(xù)增加（如圖3和圖5所示），在初始的恒定速率加載階段，巖石試樣受力增加快，聲發(fā)射撞擊率也較高，隨后轉(zhuǎn)換為恒定功率加載模式，聲發(fā)射撞擊率出現(xiàn)一定程度的下降，但后期隨著加載壓應(yīng)力的增加，聲發(fā)射撞擊率又恢復(fù)到高水平直至巖石試樣破壞；能量釋放幾乎全部發(fā)生在巖石破壞的瞬間（如圖4和圖6所示），在巖石試樣加載過程中聲發(fā)射b值持續(xù)降低，并且在破壞發(fā)生前處于1~1.5之間（如圖7所示），這為巖體工程圍巖變形與破壞模式的研究提供了重要參考。

實(shí)施例2

一種恒定功率加載的砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：在設(shè)有恒定速率加載控制模塊和恒定壓力梯度加載控制模塊的300kN單軸加載試驗(yàn)機(jī)（結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示）上增加恒定功率加載控制模塊，用于控制單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)機(jī)壓頭的加載速率與壓力的乘積為定值；

步驟二：將砂巖試樣安放于單軸加載試驗(yàn)機(jī)上，砂巖試樣尺寸為50mm×50mm×100mm（長(zhǎng)×寬×高），將4個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭安裝在砂巖試樣表面，上下各兩個(gè)，如圖8所示；

步驟三：在豎直方向上，對(duì)砂巖試樣按照0.05mm/s的恒定壓力梯度逐漸施加壓力；

步驟四：待砂巖試樣受力達(dá)到設(shè)定值10kN，即砂巖的受載功率達(dá)到0.5W，將所述恒定速率加載控制模式切換為恒定功率加載控制模式，繼續(xù)增大對(duì)巖石試樣施加壓力的同時(shí)降低加載速率，始終保持加載速率與壓力的乘積為定值0.5W，直至巖石試樣完全破壞，在此過程中監(jiān)測(cè)并記錄試驗(yàn)機(jī)的壓力、壓頭速率和位移、巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)（撞擊率、累積撞擊率、能量率、累積能量率、b值），圖9~14分別提供了巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)時(shí)間的曲線；

步驟五：根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，分析砂巖試樣在恒定功率單軸加載實(shí)驗(yàn)條件下的破壞規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒定功率加載實(shí)驗(yàn)條件下，砂巖試樣受載后的變形速率不斷下降，壓應(yīng)力逐漸增加但增加速率不斷減慢（如圖9所示）。同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的變化特征表明（如圖10~14所示），在恒定功率加載條件下，巖石試樣聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律與在恒定速率或恒定壓力梯度加載條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有比較明顯的不同，聲發(fā)射撞擊率并不是隨著應(yīng)力的提高而持續(xù)增加（如圖10和圖12所示），初始恒定速率加載階段，巖石受力增加快，聲發(fā)射撞擊率高，隨后轉(zhuǎn)換為恒定功率加載模式，聲發(fā)射撞擊率出現(xiàn)一定程度的下降，但后期隨著加載壓應(yīng)力的增加，聲發(fā)射撞擊率又恢復(fù)到高水平直至巖石試樣破壞；能量釋放幾乎全部發(fā)生在巖石破壞的瞬間（如圖11和圖13所示），在巖石試樣加載過程中聲發(fā)射b值持續(xù)降低，并且在破壞發(fā)生前處于1~1.5之間（如圖14所示），這為巖體工程圍巖變形與破壞模式的研究提供了重要參考。

實(shí)施例3

一種恒定功率加載的大理巖巴西劈裂實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：在設(shè)有恒定速率加載控制模塊和恒定壓力梯度加載控制模塊的300kN單軸加載試驗(yàn)機(jī)（結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示）上增加恒定功率加載控制模塊，用于控制單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)機(jī)壓頭的加載速率與壓力的乘積為定值；

步驟二：將大理巖圓盤試樣安放于單軸加載試驗(yàn)機(jī)上，大理巖圓盤試樣直徑80mm，厚度48mm，將4個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭安裝在大理巖試樣表面，前后各兩個(gè)，如圖15所示；

步驟三：在豎直方向上，對(duì)大理巖試樣按照0.015mm/s的恒定壓力梯度逐漸施加壓力；

步驟四：待大理巖試樣受力達(dá)到設(shè)定值40kN，即大理巖的受載功率達(dá)到0.6W，將所述恒定速率加載控制模式切換為恒定功率加載控制模式，繼續(xù)增大對(duì)大理巖試樣施加壓力的同時(shí)降低加載速率，始終保持加載速率與壓力的乘積為定值0.6W，直至大理巖試樣完全破壞，在此過程中監(jiān)測(cè)并記錄試驗(yàn)機(jī)的壓力、壓頭速率和位移、巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)（撞擊率、累積撞擊率、能量率、累積能量率、b值），圖16~21分別提供了巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)時(shí)間的曲線；

步驟五：根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及巖石試樣的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，分析大理巖試樣在恒定功率單軸加載實(shí)驗(yàn)條件下的破壞規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒定功率加載實(shí)驗(yàn)條件下，大理巖試樣受載后的變形速率不斷下降，壓應(yīng)力逐漸增加但增加速率不斷減慢（如圖16所示）。同時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的變化特征表明（如圖17~21所示），在恒定功率加載條件下，巖石試樣聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律與在恒定速率或恒定壓力梯度加載條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有比較明顯的不同，聲發(fā)射撞擊率并不是隨著應(yīng)力的提高而持續(xù)增加（如圖17和圖19所示），初始恒定速率加載階段，巖石受力增加快，聲發(fā)射撞擊率高，隨后轉(zhuǎn)換為恒定功率加載模式，聲發(fā)射撞擊率出現(xiàn)一定程度的下降，但后期隨著加載壓應(yīng)力的增加，聲發(fā)射撞擊率又恢復(fù)到高水平直至巖石試樣破壞；能量釋放幾乎全部發(fā)生在巖石破壞的瞬間（如圖18和圖20所示），在巖石試樣加載過程中聲發(fā)射b值持續(xù)降低，并且在破壞發(fā)生前處于1~1.5之間（如圖21所示），這為巖體工程圍巖變形與破壞模式的研究提供了重要參考。