本發(fā)明涉及巖石力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石脆性指數(shù)評價方法。

背景技術(shù)：

脆性是巖石在極小的形變條件下發(fā)生破壞，并釋放大量能量，深部巖體一般具有較高脆性，同時常伴隨著高地溫高水壓的惡劣環(huán)境。作為巖石極為重要的一種性質(zhì)，脆性評價對巖體工程有著重要的指導(dǎo)意義，例如在高地應(yīng)力下的深部巖體工程中，巖體的脆性是影響巖爆等工程災(zāi)害的重要內(nèi)部因素；脆性指標(biāo)也是油氣藏工程領(lǐng)域中儲層力學(xué)特征、井壁穩(wěn)定性評價以及水力壓裂效果評價的重要指標(biāo)；在巖體開挖進程中，巖石的脆性也決定了TBM掘進速度和鉆機的鉆孔效率。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于巖石脆性尚未形成統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，如專利號201410461329.8公開的一種基于煤巖工業(yè)組分的脆性指數(shù)確定方法，采用煤巖工業(yè)組分結(jié)合測井資料方法確定脆性指數(shù)，其方法繁瑣且只能適用于煤氣領(lǐng)域，專利號201310254628.X公開的一種應(yīng)用聲發(fā)射能量值測定巖石脆性指數(shù)的方法，由于巖石聲發(fā)射能量值具有較大的隨機性，其測試結(jié)果不穩(wěn)定，具有較大誤差，但由于巖石的脆性與其力學(xué)特性密切相關(guān)，因此，對巖體所處環(huán)境下的力學(xué)特性進行研究可實現(xiàn)對脆性指標(biāo)的準(zhǔn)確評價。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石脆性指數(shù)評價方法，該方法基于巖石單軸實驗或三軸實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線全過程的分析，可提高巖石脆性評價的合理性與準(zhǔn)確性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供一種基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石脆性指數(shù)評價方法，包括：

從地應(yīng)力，溫度，水壓方面對待測巖樣所處地質(zhì)環(huán)境進行評價；

選取符合待測巖樣地質(zhì)環(huán)境的巖石力學(xué)實驗，包括單軸壓縮實驗，考慮溫度的三軸壓縮實驗，考慮水壓的三軸壓縮實驗；

獲取實驗過程中各特征應(yīng)力值以及其對應(yīng)的應(yīng)變大小，各特征應(yīng)力值包括起裂應(yīng)力、峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力；

根據(jù)所提出的脆性指數(shù)計算方法，將特征應(yīng)力值及應(yīng)變帶入進行計算，得到待測巖石的脆性指數(shù)。

所述的脆性指數(shù)計算方法為：

其中：σ_i為起裂應(yīng)力；σ_p為峰值應(yīng)力；σ_r為殘余應(yīng)力；ε_i為起裂應(yīng)變；ε_p為峰值應(yīng)變；ε_r為殘余應(yīng)變；t為三軸壓縮實驗所設(shè)置溫度；t₂₀為外界環(huán)境溫度，一般為20℃；D為三軸壓縮實驗所設(shè)置水壓；k為系數(shù)，待測巖石為硬巖時取4，待測巖石為軟巖時取2。

為了在實驗中獲取更好的峰后曲線，實驗加載系統(tǒng)采用三段式控制，在實驗開始時采用軸向位移控制，當(dāng)軸向應(yīng)力達到峰值強度70％-85％時，切換為環(huán)向位移控制，環(huán)向位移速率逐級遞增，初始設(shè)定值為0.0025-0.0040mm/s，當(dāng)應(yīng)力達到峰值并開始下降至峰值強度的80％-90％時，將環(huán)向位移速率調(diào)整為初始值的1.5-2倍，當(dāng)下降至峰值強度的50％-60％時，將環(huán)向位移速率調(diào)整為初始值的2.5-3倍，當(dāng)下降至峰值強度的30％-40％時，調(diào)整為初始值的3.5-5倍，當(dāng)下降至峰值強度10％-20％時，再次切換為軸向位移控制，來獲得最終完整的峰后曲線。當(dāng)試驗巖樣為硬巖時，在范圍內(nèi)取較大值；當(dāng)試驗巖樣為軟巖時，在范圍內(nèi)去取較小值。

結(jié)合巖石所處地質(zhì)環(huán)境，當(dāng)巖石無需考慮其他外部因素時，巖石力學(xué)實驗選用單軸壓縮實驗，本發(fā)明所述的脆性指數(shù)計算方法采用B₁。

結(jié)合巖石所處地質(zhì)環(huán)境，當(dāng)巖石需要考慮溫度因素時，一般伴隨較高的地應(yīng)力，巖石力學(xué)實驗須選用考慮溫度的三軸壓縮實驗，本發(fā)明所述的脆性指數(shù)計算方法采用B₂。

結(jié)合巖石所處地質(zhì)環(huán)境，當(dāng)巖石需要考慮水壓因素時，一般伴隨較高的地應(yīng)力，巖石力學(xué)實驗選用考慮水壓的三軸壓縮實驗，本發(fā)明所述的脆性指數(shù)計算方法采用B₃。

本發(fā)明提供了一種基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石脆性指數(shù)計算方法，該方法模擬了巖樣所處地質(zhì)環(huán)境，同時也考慮到了巖石力學(xué)實驗整個過程對巖樣脆性指數(shù)的影響；相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法針對性強，操作簡單，提高了巖石脆性評價的合理性與準(zhǔn)確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單介紹。

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的四種巖樣巖石力學(xué)實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖3為本發(fā)明實施例提供的起裂應(yīng)力值計算方法示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清除、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。

實施例一

對地表出露的大理巖、砂巖、粗顆?；◢弾r、細顆?；◢弾r進行脆性指數(shù)評價，如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的脆性指數(shù)計算方法，包括以下步驟：

對四種巖石所處地質(zhì)環(huán)境進行評價：地表出露，地應(yīng)力較小，且無溫度、水壓等影響；

由于巖樣所處地質(zhì)環(huán)境簡單，選用單軸壓縮實驗，實驗加載系統(tǒng)采用三段式控制，在實驗開始時采用軸向位移控制，當(dāng)軸向壓力達到峰值強度70％時，切換為環(huán)向位移控制，環(huán)向位移速率逐級遞增，初始設(shè)定值為0.0025mm/s，當(dāng)曲線達到峰值并開始下降至峰值強度的90％時，將環(huán)向位移速率調(diào)整為0.005mm/s，當(dāng)下降至峰值強度的60％時，將環(huán)向位移速率調(diào)整為0.01mm/s，當(dāng)下降至峰值強度的40％時，調(diào)整為0.02mm/s，當(dāng)下降至峰值強度10％時，再次切換為軸向位移控制，來獲得最終完整的峰后曲線；

如圖2所示，獲得四種巖樣在單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

如圖3所示，根據(jù)已有的技術(shù)方法，采用裂紋體積應(yīng)變拐點法確定起裂應(yīng)力值，四種巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得巖樣各特征應(yīng)力值及應(yīng)變值如表1。

表1實施例一的具體特征應(yīng)力值及其應(yīng)變值

帶入單軸壓縮的脆性指數(shù)計算方法：

最后，得到大理巖的脆性指數(shù)為B_大＝1.059，砂巖的脆性指數(shù)為B_砂＝11.799，粗顆?；◢弾r的脆性指數(shù)為B_粗＝9.54，細顆?；◢弾r的脆性指數(shù)為B_細＝11.858，因此可知，四種巖石的脆性程度為細顆粒花崗巖＞砂巖＞粗顆?；◢弾r＞大理巖。

實施例二

對20℃，40℃，60℃，90℃下大理巖進行脆性指數(shù)評價，如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的脆性指數(shù)計算方法，包括以下步驟：

對四種溫度下巖石所處地質(zhì)環(huán)境進行評價：高地溫巖石一般深埋地下，地應(yīng)力較大，無水壓影響；

選用三軸壓縮試驗，由于地應(yīng)力較大，圍壓選用20MPa；

獲取實驗過程中各特征應(yīng)力值以及其對應(yīng)的應(yīng)變大小如表2所示，各特征應(yīng)力值包括起裂應(yīng)力，峰值應(yīng)力，殘余應(yīng)力；

表2實施例二的具體特征應(yīng)力值及其應(yīng)變值

帶入考慮溫度三軸壓縮的脆性指數(shù)計算方法：

最后得到20℃的脆性指數(shù)為B_20℃＝4.156，40℃的脆性指數(shù)為B_40℃＝9.716，60℃的脆性指數(shù)為B_60℃＝17.074，90℃的脆性指數(shù)為B_90℃＝35.747，因此可知，四種溫度下大理巖的脆性程度為90℃＞60℃＞40℃＞20℃。

實施例三

對水壓為0MPa，4MPa，8MPa，12MPa下大理巖進行脆性指數(shù)評價，如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的脆性指數(shù)計算方法，包括以下步驟：

對四種水壓下巖石所處地質(zhì)環(huán)境進行評價：高水壓巖石一般深埋地下，地下水豐富，地應(yīng)力較大，無溫度影響；

選用三軸壓縮試驗，由于地應(yīng)力較大，圍壓選用20MPa；

獲取實驗過程中各特征應(yīng)力值以及其對應(yīng)的應(yīng)變大小如表3所示，各特征應(yīng)力值包括起裂應(yīng)力，峰值應(yīng)力，殘余應(yīng)力；

表3實施例三的具體特征應(yīng)力值及其應(yīng)變值

帶入考慮水壓三軸壓縮的脆性指數(shù)計算方法，其中k取4：

最后得到水壓0MPa的脆性指數(shù)為B_0MPa＝4.271，4MPa的脆性指數(shù)為B_4MPa＝4.502，8MPa的脆性指數(shù)為B_8MPa＝5.040，12MPa的脆性指數(shù)為B_12MPa＝5.688，因此可知，四種水壓下大理巖的脆性程度為12MPa＞8MPa＞4MPa＞0MPa。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。