CN113758791B - 岩石的力学参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩石工程技术领域，公开了一种岩石的力学参数确定方法，旨在解决现有岩石的力学参数存在方法复杂以及工作量大的问题，包括：获取多个岩石样本，确定各岩石样本烘干后的初始力学参数和初始结构特征参数；对烘干后的各岩石样本进行多次水岩循环试验，并在每次水岩循环试验后确定各岩石样本的力学参数和结构特征参数；计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度和结构特征参数劣化度；建立初始函数模型，对初始函数模型进行回归分析得到第一函数模型；建立第二函数模型；确定待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数，基于第二函数模型计算待测岩石的力学参数。本发明提高了岩石力学参数的确定效率，适用于受水岩循环影响的岩石。

Description

岩石的力学参数确定方法
技术领域
本发明涉及岩石工程技术领域，具体来说涉及一种岩石的力学参数确定方法。
背景技术
在水利水电工程领域，由于水库随季节周期性的蓄水-排水，将会导致库区岩石处于周期性的饱水-风干状态，形成地质环境的水岩循环过程。库区内岩石在水岩循环周期性作用下，其力学参数产生不同程度的弱化，给水库库区工程岩体稳定及安全运营带来巨大隐患。因此如何判断岩石在经过不同水岩循环次数后的力学指标，是工程设计之初力学参数选取的关键。
现有技术中，为了获取岩石在不同水岩循环次数后的强度指标，通常是通过宏观力学试验来直接检测岩石的强度指标，其技术方法复杂，工作量大，且所获取的试验成果有限，并不能高效应用于工程设计。
发明内容
本发明旨在解决现有获取岩石在不同水岩循环次数后的力学参数存在方法复杂以及工作量大的问题，提出一种岩石的力学参数确定方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：岩石的力学参数确定方法，包括以下步骤：
步骤1、获取多个岩石样本，确定各岩石样本烘干后的初始力学参数和初始结构特征参数；
步骤2、分别对烘干后的各岩石样本进行多次水岩循环试验，并在每次水岩循环试验后，确定各岩石样本的力学参数和结构特征参数，每次水岩循环试验过程包括一次饱水试验和一次烘干试验；
步骤3、根据对应初始力学参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度，根据对应初始结构特征参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度；
步骤4、建立初始函数模型，根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析，得到力学参数劣化度关于水岩循环次数及其对应的结构特征参数劣化度的第一函数模型；
步骤5、根据所述第一函数模型建立力学参数关于初始力学参数、初始结构特征参数、水岩循环次数及其对应的结构特征参数的第二函数模型；
步骤6、确定待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数，根据待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数并基于第二函数模型计算待测岩石的力学参数。
进一步地，各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000021
式中，DX(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，X(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)′表示岩石样本的初始力学参数；
各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000022
式中，DY(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数劣化度，Y(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数，Y(0)′表示岩石样本的初始结构特征参数。
进一步地，所述结构特征参数包括：岩石内部孔隙平面面积和岩石易水解矿物成分比例。
进一步地，各岩石样本的初始结构特征参数、各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数以及待测岩石的结构特征参数的确定方法包括：
对岩石进行SEM扫描电镜处理后得到SEM图像，将SEM图像进行二值化处理得到二值图，统计二值图中黑色区域占图像区域的面积比例，得到岩石内部空隙平面面积；
对岩石进行XRD射线衍射处理，确定岩石易水解矿物成分比例。
进一步地，所述根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析具体包括：
分别将每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度代入初始函数中，计算初始函数中的系数，将计算得到的系数代入初始函数中得到第一函数模型。
进一步地，所述第一函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000023
式中，N表示水岩循环次数，DX(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，DA(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积劣化度，DM(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例劣化度，a、b和c为系数；
对于经过N次水岩循环后数值减少的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000031
对于经过N次水岩循环后数值增加的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000032
式中，X(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)表示初始力学参数，A(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积，A(0)表示初始岩石内部孔隙平面面积，M(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例，M(0)表示初始岩石易水解矿物成分比例。
进一步地，所述力学参数包括：岩石单轴抗压强度、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石抗拉强度、岩石粘聚力和/或岩石内摩擦角度。
进一步地，各岩石样本的初始力学参数以及各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数的确定方法包括：
通过弹性模量仪获取各岩石样本的岩石弹性模量、岩石泊松比和岩石单轴抗压强度，通过弹模仪并基于巴西劈裂试验获取各岩石样本的岩石抗拉强度，通过直剪仪获取各岩石样本的岩石内摩擦角和岩石粘聚力。
进一步地，所述岩石样本为标准岩石力学试验圆柱形样本；
所述饱水试验包括：将圆柱形样本置于水槽中浸泡，浸泡开始时，将水浸泡到圆柱形样本高度的四分之一处，并放置2小时，2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的二分之一，再经过2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的四分之三，再放置2小时，最后将圆柱形样本完全用水淹没浸泡24小时；
所述烘干试验包括：将完成饱水试验的圆柱形样本置于室内环境8小时后，将圆柱形样本放置于60℃烘箱烘干24小时。
进一步地，所述待测岩石的水岩循环次数确定方法包括：
根据各岩石样本每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数建立水岩循环次数与结构特征参数之间的对应关系；
根据待测岩石的结构特征参数并基于所述对应关系确定待测岩石的水岩循环次数。
本发明的有益效果是：本发明所述的岩石的力学参数确定方法，通过有限的水岩循环试验分析岩石微观结构演化特征，建立起不同水岩循环次数下微观结构特征参数变化与宏观力学参数的函数模型，实现快速计算出岩石在任意次数水岩循环状态下的力学参数。本发明具有快速高效的特点，从岩石力学参数水岩循环弱化的根本原因是微观结构损伤这一根本理论为出发，准确快速计算其力学参数的变化规律，本发明针对地区受水岩循环影响岩体具有广泛的应用推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述的岩石的力学参数确定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的一种岩石的SEM图像；
图3为本发明实施例所述的一种岩石的二值图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明所述的岩石的力学参数确定方法，包括以下步骤：步骤1、获取多个岩石样本，确定各岩石样本烘干后的初始力学参数和初始结构特征参数；步骤2、分别对烘干后的各岩石样本进行多次水岩循环试验，并在每次水岩循环试验后，确定各岩石样本的力学参数和结构特征参数，每次水岩循环试验过程包括一次饱水试验和一次烘干试验；步骤3、根据对应初始力学参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度，根据对应初始结构特征参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度；步骤4、建立初始函数模型，根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析，得到力学参数劣化度关于水岩循环次数及其对应的结构特征参数劣化度的第一函数模型；步骤5、根据所述第一函数模型建立力学参数关于初始力学参数、初始结构特征参数、水岩循环次数及其对应的结构特征参数的第二函数模型；步骤6、确定待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数，根据待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数并基于第二函数模型计算待测岩石的力学参数。
本发明从岩石力学参数水岩循环弱化的根本原因是微观结构损伤这一根本理论为出发，通过岩石微观结构的损伤程度来确定岩石力学参数的弱化程度。具体而言，首先，对多个岩石样本进行水岩循环试验采集数据，主要包括：初始力学参数、初始结构特征参数、每次水岩循环试验后的力学参数和结构特征参数，根据采集的试验数据计算在不同水岩循环次数下各岩石样本的力学参数劣化度和结构特征参数劣化度。然后，建立力学参数劣化度关于水岩循环次数和结构特征参数劣化度的初始函数模型，并根据计算得到的数据对初始模型进行回归分析，进而得到初始函数模型中的系数，将系数代入初始函数模型得到力学参数劣化度关于水岩循环次数及其对应的结构特征参数劣化度的第一函数模型，再将劣化度计算公式代入第一函数模型中，即可得到岩石力学参数关于初始力学参数、初始结构特征参数、水岩循环次数及其对应的结构特征参数的第二函数模型。将待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数代入第二函数模型中即可得到待测岩石的力学参数。
实施例1
本发明实施例所述的岩石的力学参数确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、获取多个岩石样本，确定各岩石样本烘干后的初始力学参数和初始结构特征参数；
本实施例中，通过现场钻探，对拟定研究区的岩石进行岩芯取样若干，取样过程中尽量保证岩芯的完整性，并且选取岩芯能够代表该区域典型岩石类型及结构特征，同时对岩石所处环境周边水域地表水进行收集若干。采集的岩芯能够尽可能代表该区域多数岩石的结构及构造特性，采集的试样彼此之间应该有较高的一致性，必要时可采取测试纵波波速，选取波速较为一致的试样用于室内试验；收集的地表水所使用的容器应该为玻璃容器，防止运输及储存过程中对采集水样性状造成的改变。然后将收集的岩芯样本加工成为标准岩石力学试验圆柱形样本，标准岩石力学试验圆柱形样本的高为10cm，直径为5cm。
然后将圆柱形样本进行烘干，具体为将制作完成的圆柱形样本放置于110℃烘箱烘干24小时，并测试岩石初始力学参数以及对其微观结构及矿物成分组成进行分析。
本实施例中，各岩石样本的力学参数包括：岩石单轴抗压强度、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石抗拉强度、岩石粘聚力和/或岩石内摩擦角度。各岩石样本的初始结构特征参数包括：岩石内部孔隙平面面积和岩石易水解矿物成分比例。
其中，各岩石样本的初始力学参数的确定方法包括：通过弹性模量仪获取各岩石样本的岩石弹性模量、岩石泊松比和岩石单轴抗压强度，通过弹模仪并基于巴西劈裂试验获取各岩石样本的岩石抗拉强度，通过直剪仪获取各岩石样本的岩石内摩擦角和岩石粘聚力。
各岩石样本的初始结构特征参数的确定方法包括：如图2所示，对各岩石样本进行SEM扫描电镜处理后得到SEM图像，如图3所示，将SEM图像进行二值化处理得到二值图，统计二值图中黑色区域占图像区域的面积比例，得到岩石内部空隙平面面积；对岩石进行XRD射线衍射处理，基于矿物成分分析技术确定岩石易水解矿物成分比例。
本实施例中，假设水岩循环试验的次数为N，则需要的岩石样本至少为13*N组，每组岩石样本中，4个岩石样本用于测试岩石弹性模量、岩石泊松比以及岩石单轴抗压强度，4个岩石样本用于测量岩石抗拉强度，5个岩石样本用于测试岩石内摩擦角以及岩石粘聚力。
步骤S2、分别对烘干后的各岩石样本进行多次水岩循环试验，并在每次水岩循环试验后，确定各岩石样本的力学参数和结构特征参数，每次水岩循环试验过程包括一次饱水试验和一次烘干试验；
本实施例中，所述饱水试验包括：将圆柱形样本置于水槽中浸泡，浸泡开始时，将水浸泡到圆柱形样本高度的四分之一处，并放置2小时，2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的二分之一，再经过2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的四分之三，再放置2小时，最后将圆柱形样本完全用水淹没浸泡24小时，完成饱水试验。
所述烘干试验包括：将完成饱水试验的圆柱形样本置于室内环境8小时后，将圆柱形样本放置于60℃烘箱烘干24小时，完成烘干试验。
在每次水岩循环试验后，需要测量各岩石样本的力学参数和结构特征参数，其测量方法与各岩石样本的初始力学参数和初始结构特征参数相同，此处不再赘述。
步骤S3、根据对应初始力学参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度，根据对应初始结构特征参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度；
本实施例中，力学参数劣化度包括：岩石单轴抗压强度劣化度、岩石弹性模量劣化度、岩石泊松比劣化度、岩石抗拉强度劣化度、岩石粘聚力劣化度和岩石内摩擦角度劣化度，结构特征参数劣化度包括：岩石内部孔隙平面面积劣化度和岩石易水解矿物成分比例劣化度。
各岩石样本的各力学参数劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000061
式中，DX(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，X(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)′表示岩石样本的初始力学参数；
对于本实施例而言，各力学参数中，在经过N次水岩循环后，岩石单轴抗压强度、岩石弹性模量、岩石抗拉强度、岩石粘聚力和岩石内摩擦角度的数值均会减小，因此，岩石单轴抗压强度劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000062
式中，
Figure BDA0003194304600000064
表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石单轴抗压强度劣化度，σc(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石单轴抗压强度，σc(0)′表示岩石样本的初始岩石单轴抗压强度。
岩石弹性模量劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000063
式中，DE(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石弹性模量劣化度，E(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石弹性模量，E(0)′表示岩石样本的初始岩石弹性模量。
岩石抗拉强度劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000071
式中，
Figure BDA0003194304600000078
表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石抗拉强度劣化度，σt(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石抗拉强度，σt(0)′表示岩石样本的初始岩石抗拉强度。
岩石粘聚力劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000072
式中，DC(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石粘聚力劣化度，C(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石粘聚力，C(0)′表示岩石样本的初始岩石粘聚力。
岩石内摩擦角度劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000073
式中，
Figure BDA0003194304600000074
表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石内摩擦角度劣化度，
Figure BDA0003194304600000075
表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石内摩擦角度，
Figure BDA0003194304600000076
表示岩石样本的初始岩石内摩擦角度。
在经过N次水岩循环后，岩石泊松比的数值会增加，因此，岩石泊松比劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000077
式中，Dμ(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石内摩擦角度劣化度，μ(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的岩石内摩擦角度，μ(0)′表示岩石样本的初始岩石内摩擦角度。
本实施例中，各岩石样本的各结构特征参数劣化度的计算公式如下：
Figure BDA0003194304600000081
式中，DY(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数劣化度，Y(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数，Y(0)′表示岩石样本的初始结构特征参数。
步骤S4、建立初始函数模型，根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析，得到力学参数劣化度关于水岩循环次数及其对应的结构特征参数劣化度的第一函数模型；
本实施例中，初始函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000082
式中，N表示水岩循环次数，DX(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，DA(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积劣化度，DM(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例劣化度，a、b和c为系数；
所述根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析具体包括：
分别将每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度代入初始函数中，计算初始函数中的系数a、b和c，并将计算得到的系数a、b和c代入初始函数中即可得到第一函数模型。
对于本实施例而言，各力学参数劣化度对应的初始函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000083
Figure BDA0003194304600000084
Figure BDA0003194304600000085
Figure BDA0003194304600000086
Figure BDA0003194304600000087
Figure BDA0003194304600000088
式中，
Figure BDA0003194304600000089
表示岩石经过N次水岩循环后的岩石单轴抗压强度劣化度，DE(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石弹性模量劣化度，Dμ(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石泊松比劣化度，
Figure BDA0003194304600000091
表示岩石经过N次水岩循环后的岩石抗拉强度劣化度，DC(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石粘聚力劣化度，
Figure BDA0003194304600000092
表示岩石内摩擦角度劣化度，a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3、a4、b4、c4、a5、b5、c5、a6、b6和c6为系数。
步骤S5、根据所述第一函数模型建立力学参数关于初始力学参数、初始结构特征参数、水岩循环次数及其对应的结构特征参数的第二函数模型；
具体地，将对应的力学参数劣化度计算公式代入第一函数模型中，即可得到第二函数模型，对于经过N次水岩循环后数值减少的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000093
对于经过N次水岩循环后数值增加的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000094
式中，X(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)表示初始力学参数，A(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积，A(0)表示初始岩石内部孔隙平面面积，M(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例，M(0)表示初始岩石易水解矿物成分比例。
对于本实施例而言，各力学参数中，在经过N次水岩循环后，岩石单轴抗压强度、岩石弹性模量、岩石抗拉强度、岩石粘聚力和岩石内摩擦角度的数值均会减小，因此，计算岩石单轴抗压强度的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000095
式中，σc(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石单轴抗压强度，σc(0)表示初始岩石单轴抗压强度。
计算岩石弹性模量的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000096
式中，E(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石弹性模量，E(0)表示初始岩石弹性模量。
计算岩石抗拉强度的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000101
式中，σt(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石抗拉强度，σt(0)表示初始岩石抗拉强度。
计算岩石粘聚力的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000102
式中，C(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石粘聚力，C(0)表示初始岩石粘聚力。
计算岩石内摩擦角度的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000103
式中，
Figure BDA0003194304600000104
表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内摩擦角度，
Figure BDA0003194304600000105
表示初始岩石内摩擦角度。
在经过N次水岩循环后，岩石泊松比的数值会增加，因此，计算岩石泊松比的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000106
式中，μ(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石泊松比，μ(0)表示初始岩石泊松比。
步骤S6、确定待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数，根据待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数并基于第二函数模型计算待测岩石的力学参数。
具体地，本实施例在分别建立计算各力学参数的第二函数模型后，即通过对应的第二函数模型计算待测岩石对应的力学参数，计算流程如下：
首先确定待测岩石的岩石内部孔隙平面面积A(N)、岩石易水解矿物成分比例M(N)和水岩循环次数N，然后将待测岩石的岩石内部孔隙平面面积A(N)、岩石易水解矿物成分比例M(N)和水岩循环次数N、初始岩石内部孔隙平面面积A(0)、初始岩石易水解矿物成分比例M(0)以及对应的初始力学参数X(0)代入对应力学参数的第二函数模型，即可得到待测岩石对应的力学参数。
本实施例中，可以通过以下方法确定待测岩石的水岩循环次数：根据各岩石样本每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数建立水岩循环次数与结构特征参数之间的对应关系；根据待测岩石的结构特征参数并基于所述对应关系确定待测岩石的水岩循环次数。
实施例2
下面以某区域岩石为例，详细说明其在任意循环次数后力学参数的确定方法。
步骤A、分别取水岩循环试验次数为0、4、10、16、22、28共6种循环次数后的岩石样本进行数据采集，则岩石样本为13*6＝78个，确定出岩石样本的初始力学参数以及各水岩循环试验次数后的力学参数如下表所示：
Figure BDA0003194304600000111
通过对烘干后的岩石样本以及水岩循环试验后的岩石样本进行XRD衍射，获取各循环试验次数后的矿物成分变化如下表所示：
循环次数N 绿泥石 云母 石英 斜长石 其它
0 25.5 29.7 26.8 16.6 1.4
4 23.8 28.7 28.4 16.9 2.2
10 21.4 27.2 34.2 15.4 1.8
16 19.7 26.5 37.3 14.5 2
22 18.5 24.5 40.1 14.8 2.1
28 17.3 23.6 43.1 14.3 1.7
其中，矿物组成中绿泥石和斜长石输入易水解矿物，因此在各个循环后计算绿泥石和斜长石所占据的百分比，得到岩石样本的岩石易水解矿物比例。
确定出岩石样本的初始岩石内部孔隙平面面积、初始岩石易水解矿物比例以及各水岩循环试验次数后的岩石内部孔隙平面面积和岩石易水解矿物比例如下表所示：
循环次数N A(N)/％ M(N)/％
0 2.172 42.1
4 2.548 40.7
10 3.421 36.8
16 3.875 34.2
22 4.258 33.3
28 4.759 31.6
步骤B、根据以上试验数据计算得到岩石样本在各水岩循环试验次数后的力学参数劣化度如下表所示：
Figure BDA00031943046000001211
根据以上试验数据计算得到岩石样本在各水岩循环试验次数后的结构特征参数劣化度如下表所示：
循环次数N <![CDATA[D<sub>A</sub>(N)]]> <![CDATA[D<sub>M</sub>(N)]]>
0 0.0000 0.0000
4 0.1742 0.0333
10 0.5765 0.1259
16 0.7857 0.1876
22 0.9622 0.2090
28 1.1931 0.2494
步骤C、根据以上数据对初始函数模型进行回归分析，计算得到初始函数模型中的系数，进而得到各力学参数劣化度的第一函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000121
Figure BDA0003194304600000122
Figure BDA0003194304600000123
Figure BDA0003194304600000124
Figure BDA0003194304600000125
Figure BDA0003194304600000126
步骤D、将劣化度计算公式代入第一函数模型得到各力学参数的第二函数模型如下：
Figure BDA0003194304600000127
Figure BDA0003194304600000128
Figure BDA0003194304600000129
Figure BDA00031943046000001210
Figure BDA0003194304600000131
Figure BDA0003194304600000132
步骤E、假设检测到待测岩石的岩石内部孔隙平面面积为4.908％，岩石易水解矿物比例为31.1％，根据水岩循环次数与结构特征参数之间的对应关系计算出待测岩石的水岩循环次数为33，基于第二函数模型得到待测岩石的各力学参数如下：
σc(33)＝44.77MPa；
E(33)＝1.78MPa；
μ(33)＝0.206；
σt(33)＝1.49MPa；
C(33)＝0.95MPa；
Figure BDA0003194304600000133
综上所述，本发明通过有限的水岩循环试验分析岩石微观结构演化特征，建立起不同水岩循环次数下微观结构特征参数变化与宏观力学参数的函数模型，实现快速计算出岩石在任意次数水岩循环状态下的力学参数。本发明具有快速高效的特点，从岩石力学参数水岩循环弱化的根本原因是微观结构损伤这一根本理论为出发，准确快速计算其力学参数的变化规律，本发明针对地区受水岩循环影响岩体具有广泛的应用推广价值。

Claims (8)

1.岩石的力学参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取多个岩石样本，确定各岩石样本烘干后的初始力学参数和初始结构特征参数；
步骤2、分别对烘干后的各岩石样本进行多次水岩循环试验，并在每次水岩循环试验后，确定各岩石样本的力学参数和结构特征参数，每次水岩循环试验过程包括一次饱水试验和一次烘干试验；
步骤3、根据对应初始力学参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度，根据对应初始结构特征参数计算各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度；
各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数劣化度的计算公式如下：
Figure FDA0004143430900000011
式中，DX(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，X(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)′表示岩石样本的初始力学参数；
各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数劣化度的计算公式如下：
Figure FDA0004143430900000012
式中，DY(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数劣化度，Y(N)′表示岩石样本经过N次水岩循环后的结构特征参数，Y(0)′表示岩石样本的初始结构特征参数；
步骤4、建立初始函数模型，根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析，得到力学参数劣化度关于水岩循环次数及其对应的结构特征参数劣化度的第一函数模型；
所述第一函数模型如下：
Figure FDA0004143430900000013
式中，N表示水岩循环次数，DX(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数劣化度，DA(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积劣化度，DM(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例劣化度，a、b和c为系数；
步骤5、根据所述第一函数模型建立力学参数关于初始力学参数、初始结构特征参数、水岩循环次数及其对应的结构特征参数的第二函数模型；
对于经过N次水岩循环后数值减少的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure FDA0004143430900000021
对于经过N次水岩循环后数值增加的力学参数，其对应的第二函数模型如下：
Figure FDA0004143430900000022
式中，X(N)表示岩石经过N次水岩循环后的力学参数，X(0)表示初始力学参数，A(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石内部孔隙平面面积，A(0)表示初始岩石内部孔隙平面面积，M(N)表示岩石经过N次水岩循环后的岩石易水解矿物成分比例，M(0)表示初始岩石易水解矿物成分比例；
步骤6、确定待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数，根据待测岩石的结构特征参数和水岩循环次数并基于第二函数模型计算待测岩石的力学参数。
2.如权利要求1所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，所述结构特征参数包括：岩石内部孔隙平面面积和岩石易水解矿物成分比例。
3.如权利要求2所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，各岩石样本的初始结构特征参数、各岩石样本在每次水岩循环试验后的结构特征参数以及待测岩石的结构特征参数的确定方法包括：
对岩石进行SEM扫描电镜处理后得到SEM图像，将SEM图像进行二值化处理得到二值图，统计二值图中黑色区域占图像区域的面积比例，得到岩石内部空隙平面面积；
对岩石进行XRD射线衍射处理，确定岩石易水解矿物成分比例。
4.如权利要求2所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，所述根据每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度对所述初始函数模型进行回归分析具体包括：
分别将每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数劣化度和力学参数劣化度代入初始函数中，计算初始函数中的系数，并将计算得到的系数代入初始函数中得到第一函数模型。
5.如权利要求1至4任一项所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，所述力学参数包括：岩石单轴抗压强度、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石抗拉强度、岩石粘聚力和/或岩石内摩擦角度。
6.如权利要求5所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，各岩石样本的初始力学参数以及各岩石样本在每次水岩循环试验后的力学参数的确定方法包括：
通过弹性模量仪获取各岩石样本的岩石弹性模量、岩石泊松比和岩石单轴抗压强度，通过弹模仪并基于巴西劈裂试验获取各岩石样本的岩石抗拉强度，通过直剪仪获取各岩石样本的岩石内摩擦角和岩石粘聚力。
7.如权利要求1所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，所述岩石样本为标准岩石力学试验圆柱形样本；
所述饱水试验包括：将圆柱形样本置于水槽中浸泡，浸泡开始时，将水浸泡到圆柱形样本高度的四分之一处，并放置2小时，2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的二分之一，再经过2小时后继续加水浸泡到圆柱形样本高度的四分之三，再放置2小时，最后将圆柱形样本完全用水淹没浸泡24小时；
所述烘干试验包括：将完成饱水试验的圆柱形样本置于室内环境8小时后，将圆柱形样本放置于60℃烘箱烘干24小时。
8.如权利要求1所述的岩石的力学参数确定方法，其特征在于，所述待测岩石的水岩循环次数确定方法包括：
根据各岩石样本每次水岩循环试验的次数及对应的结构特征参数建立水岩循环次数与结构特征参数之间的对应关系；
根据待测岩石的结构特征参数并基于所述对应关系确定待测岩石的水岩循环次数。
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