地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104132848 A (43)申请公布日 2014.11.05 CN 104132848 A (21)申请号 201410399007.5 (22)申请日 2014.08.13 G01N 3/08(2006.01) (71)申请人 河海大学 地址 211100 江苏省南京市江宁开发区佛城 西路 8 号 (72)发明人 徐卫亚 王如宾 闫龙 王环玲 冯树荣 赵海斌 梅松华 贾朝军 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 徐莹 (54) 发明名称 地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种下。

2、水封石油洞库围岩长期 强度参数的确定方法， 由三轴流变力学试验获取 的岩石试样流变试验数据， 通过应力 - 应变等时 曲线或匀速稳态流变阶段流变速率计算地下水封 洞库长期强度参数。本发明充分考虑应力 - 渗流 的耦合作用才能得到比较真实的长期强度参数， 以用于判定洞室群围岩的稳定性。该确定方法是 真实可靠的， 在地下水封石油洞库群的围岩长期 强度参数确定中首次充分考虑应力 - 渗流的耦合 作用， 其长期强度参数的值较未考虑渗流作用的 值小， 更加准确地反映地下水封石油洞库群的围 岩特性， 对准确评价地下水封洞库的长期安全稳 定性具有参考价值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书。

3、 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104132848 A CN 104132848 A 1/1 页 2 1. 一种地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法， 其特征在于 ： 包括如下步 骤 ： （1） 选取现场岩石试样 ： 选取位于地下水位线以下水封洞库围岩代表性岩石试样， 选取 的试样为新鲜的岩芯试样 ； （2） 制备岩石试样 ： 将选取的岩芯试样加工成高度为 100mm、 直径为 50mm 的标准圆柱形 试件 ； （3） 在岩石三轴渗流流变系统上进行渗流 - 应力耦合条件下的。

4、三轴流变力学试验 ； （4） 由三轴流变力学试验获取的岩石试样流变试验数据， 通过应力 - 应变等时曲线或 匀速稳态流变阶段流变速率计算地下水封洞库长期强度参数。 2. 根据权利要求 1 所述的地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法， 其特征在 于 ： 步骤 （4） 根据采用应力-应变等时曲线法得到长期强度参数 ： 对单个岩石试样进行分级 加载流变试验， 获得每一级应力水平下的应变-时间曲线， 应用Boltzmann叠加原理进行叠 加， 以不同时间为参数， 得到一簇应力 - 应变关系等时曲线， 当时间趋于无穷大时， 其所对 应的应力水平即为岩石的长期强度。 3. 根据权利要求 1 所述的地。

5、下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法， 其特征在 于 ： 步骤 （4） 根据匀速稳态流变阶段流变速率得到长期强度参数 ： 通过指数函数描述岩石 试样在不同围压、 不同应力水平下的岩石稳态流变阶段的流变速率， 从指数函数的拐点处 确定岩石试样的长期强度。 4. 根据权利要求 1 所述的地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法， 其特征在 于 ： 步骤 （3） 试验过程中需要确定围压与渗压 ： 围压根据工程地质勘查报告和现场实测地 应力值的结果， 采用多元回归等方法进行数值反演计算得到 ； 地下水封洞库围岩处于不同 的渗压作用下， 通常岩石的孔隙度较低， 因此采用放大渗压的方法确定渗压， 选。

6、择渗透压力 等级分别为 3MPa、 2MPa、 1MPa。 权 利 要 求 书 CN 104132848 A 2 1/4 页 3 地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法 技术领域 0001 本发明涉及岩石力学领域， 具体涉及一种围岩长期强度参数的评估方法。 背景技术 0002 随着我国经济的迅速发展， 对石油的需求量也日益增大， 战略石油储备对于应对 突发事件、 稳定石油供求关系和保障国民经济的安全快速地发展都具有非常重要的意义。 伴随着石油进口量的增长， 将石油、 天然气等储存于地址条件优越的地下水封洞库是一种 综合经济效益良好的储存方案。与传统的地上石油储存方式相比较， 在地质条件优越。

7、的区 域建造地下水封洞库有着其独到的优点 ： 地下水封石油洞库的防火、 防爆以及防战的性能 明显优于地上储备库 ； 同时， 地下水封洞库在环保、 占用土地面积和延长使用寿命等方面也 具有其突出的优势。 0003 石油储备洞库一般是由具有高边墙、 大跨度、 不衬砌的洞室群组成， 洞室群位于地 下水位以下， 处于应力场、 渗流场等多场耦合作用下的复杂环境中， 研究地下水封石油洞室 群围岩在渗流 - 应力耦合作用下的长期稳定性对地下水封洞库工程的长期安全运营有着 至关重要的作用。为了准确评价地下水封洞库在渗流 - 应力耦合作用下的长期稳定性， 需 要对洞室群围岩的长期强度参数进行评估。 通常的评估方。

8、法有简单应力状态法和复杂应力 状态法， 上述方法各有其优缺点 ： 简单应力状态法是以单轴压缩的应力状态为基础提出的， 可以确定扭转、 拉伸等简单应力状态下岩石长期强度， 但是实践工程中的岩石处于复杂应 力状态下， 单通过简单的单轴压缩试验是无法模拟岩石的真实应力状态， 故在简单应力状 态下确定的岩石长期强度无法准确描述和反映处于复杂应力状态下的真实的岩石长期强 度。复杂应力状态方法大多是以各种三轴仪进行试验， 耗时较长， 工作量较大， 且无法考虑 渗流和应力耦合下的围岩真实应力状态。 发明内容 0004 发明目的 ： 本发明的目的在于针对现有技术的不足， 提供一种基于稳态流变阶段 的稳态流变速。

9、率或应力变化进行计算的地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法。 0005 技术方案 ： 本发明提供了一种地下水封石油洞库围岩长期强度参数的确定方法， 包括如下步骤 ： 0006 (1) 选取现场岩石试样 ： 选取位于地下水位线以下水封洞库围岩代表性岩石试 样， 选取的试样为新鲜的岩芯试样 ； 0007 (2)制备岩石试样 ： 将选取的岩芯试样加工成高度为100mm、 直径为50mm的标准圆 柱形试件 ； 0008 (3) 在岩石三轴渗流流变系统上进行渗流 - 应力耦合条件下的三轴流变力学试 验 ； 0009 (4) 由三轴流变力学试验获取的岩石试样流变试验数据， 通过应力 - 应变等时曲 。

10、线或匀速稳态流变阶段流变速率计算地下水封洞库长期强度参数。 说 明 书 CN 104132848 A 3 2/4 页 4 0010 进一步， 步骤(4)根据采用应力-应变等时曲线法得到长期强度参数。 在渗流-应 力耦合作用下， 当岩石所受外部荷载大于或等于某一定值时， 岩石的流变变形会持续增大 并最终发生破坏 ； 当外荷载小于某一定值时， 岩石的流变变形速率会随时间的推移逐渐变 小， 流变变形也会慢慢趋于收敛， 岩石不会发生破裂， 通常将这个应力水平的临界值称为岩 石的长期强度。 因此， 对单个岩石试样进行分级加载流变试验， 获得每一级应力水平下的应 变 - 时间曲线， 应用 Boltzman。

11、n 叠加原理进行叠加， 以不同时间为参数， 得到一簇应力 - 应 变关系等时曲线， 当时间趋于无穷大时， 其所对应的应力水平即为岩石的长期强度。 0011 或者， 步骤(4)根据匀速稳态流变阶段流变速率得到长期强度参数。 处于渗流-应 力耦合作用下的地下水封洞库围岩典型岩样流变破坏会发生三个阶段， 即 ： 初期衰减流变、 匀速稳态流变和加速流变阶段 ； 当岩石处于加速流变阶段时， 可以认为岩石最终会发生破 坏 ； 当岩石只表现为初期衰减流变时， 可以认为岩石变形会随着时间的发展而趋于收敛 ； 当岩石表现为匀速稳态流变时， 岩石变形随时间推移既可以趋于收敛， 也可以发展到加速 流变阶段并最后破坏。

12、， 因此岩石流变的匀速稳态流变阶段的特性可以决定岩石是否会最终 发生破坏。而岩石流变的匀速稳态流变阶段最基本特征是流变的速率保持为一特定值， 所 以从岩石稳态流变阶段的流变速率方面来研究岩石长期强度。具体为选取流变变形量较 大， 规律性较好的岩石试样在不同围压不同应力水平下的岩石稳态流变阶段的流变速率进 行分析研究， 通过指数函数描述岩石试样在不同应力水平作用下稳态流变阶段的流变速 率， 指数函数能较好的反映应力水平与态流变阶段流变速率的关系规律性特征， 从图中指 数函数的拐点处可确定出岩石试样的长期强度。 0012 进一步， 步骤 (3) 试验过程中需要确定围压与渗压 ： 围压根据工程地质勘。

13、查报告 和现场实测地应力值的结果， 采用多元回归等方法进行数值反演计算得到 ； 地下水封洞库 围岩处于不同的渗压作用下， 通常岩石的孔隙度较低， 因此采用放大渗压的方法确定渗压， 选择渗透压力等级分别为 3MPa、 2MPa、 1MPa。 0013 有益效果 ： 在地下水封石油洞库的运营中， 围岩的真实应力状态是应力 - 渗流耦 合作用下的应力状态， 本发明充分考虑应力 - 渗流的耦合作用才能得到比较真实的长期强 度参数， 以用于判定洞室群围岩的稳定性。 该确定方法是真实可靠的， 在地下水封石油洞库 群的围岩长期强度参数确定中首次充分考虑应力 - 渗流的耦合作用， 其长期强度参数的值 较未考虑。

14、渗流作用的值小， 更加准确地反映地下水封石油洞库群的围岩特性， 对准确评价 地下水封洞库的长期安全稳定性具有参考价值。 附图说明 0014 图 1 为不同应力水平下流变试验曲线 ； 0015 图 2 为应力 - 应变等时曲线 ； 0016 图 3 为稳态流变速率与应力水平的关系曲线。 具体实施方式 0017 下面对本发明技术方案进行详细说明， 但是本发明的保护范围不局限于所述实施 例。 0018 实施例 ： 采用应力 - 应变等时曲线法获得地下水封石油洞库围岩的长期强度参数 说 明 书 CN 104132848 A 4 3/4 页 5 方法 ： 0019 1、 选取取样地点 ： 在我国沿海某地。

15、下水封石油洞库工程现场， 选取洞库主洞室围 岩代表性岩石， 钻取试样的地点应位于地下水位以下并且岩石的完整性较好 ； 0020 2、 钻取岩芯试样 ： 在选好的地点现场钻取岩芯试样， 为避免试验结果离散性较大， 钻取岩芯试样应在同一点按照相同的进尺方向进行钻取 ； 0021 3、 制备圆柱形试样 ： 将现场钻取的岩芯试样通过切割等工序加工成标准圆柱形试 样， 直径为 50mm， 高度为 100mm， 圆柱上下表面平行度在 0.05mm 以内， 表面平面度在 0.02mm 以内 ； 0022 4、 室内试验 ： 对于地下水封洞库围岩岩石试样进行等围压三轴渗流 - 应力耦合流 变试验， 轴向应力采。

16、用分级加载方式， 级数与每级加载大小根据常规的三轴试验确定， 常规 三轴试验可以确定该类岩石的瞬时强度， 根据瞬时强度将其分为 5 至 6 级， 确定每级加载 的应力水平， 各级荷载的加载速率为 1.5MPa/min， 各级荷载持续时间不小于 72h， 根据洞库 区域的地应力实测资料进行分析， 确定室内渗流 - 应力耦合作用下三轴流变的实验的最大 围压 4MPa。为充分体现地下水封洞库在渗流 - 应力耦合条件下岩石的长期强度特性， 试验 前， 将岩石试样进行饱水， 使得岩石试样孔隙内部充满水， 将试样放入水中浸泡养护 4h 以 上 ； 根据地下水封洞库工程区域水文地质条件以及洞库运营期间的设计。

17、水幕压力， 确定了 试验过程中施加的渗透水压为 1MPa、 2MPa、 3MPa， 对比研究不同渗压条件下岩石的长期强度 参数， 并给出最终的长期强度参数值。 0023 渗流 - 应力耦合作用下， 岩石三轴流变试验程序如下 ： 0024 1) 将饱水后的岩石试样用高性能橡胶套装好后， 放入伺服仪的三轴压力室中， 调 整轴向位移传感器， 并设定初值 ； 0025 2) 给试样施加围压至预定值， 待围压稳定后， 对试样进水口施加渗水压力至试验 设定的值 ； 0026 3) 通过油压系统进行轴向预加载， 使试验机压头与试样上端面之间充分接触， 以 1.5MPa/min 的加载速率施加轴向偏应力直至第。

18、 1 级应力水平时， 保持轴向应力不变， 测试 轴向应变、 环向应变与时间之间的关系 ； 0027 4) 在第 1 级加载维持 72h 后， 视岩石流变应变情况， 进行第 2 级应力水平加载， 加 载完成后， 保持轴向应力不变， 测试轴向应变、 环向应变与时间之间的关系 ； 0028 5) 在第 3 级及其更高级加载， 重复上述操作， 直至在最后一级应力水平下试验岩 样发生加速流变破坏， 取出岩样， 进行试验数据整理。 0029 5、 数据处理 0030 基于某岩石试样在围压不同应力水平条件下的应变与时间关系曲线， 绘制出如图 1、 图 2 ： 图 1 为不同应力水平下流变试验曲线， 纵轴 为。

19、流变变形， 横轴 t 为时间轴， t0、 t1、 、 t7代表不同的时间点， 表示不同偏应力级别 ； 图 2 为应力 - 应变等时曲线， 纵坐 标 为偏应力， 横坐标 为流变变形， t0、 t1、 tn代表不同时间点， 为长期屈服强 度 ； 通过对应力 - 应变等时曲线中拐点的估算来求得岩石试样的长期强度值， 利用 Coulomb 准则求得其长期黏聚力和长期内摩擦角。各长期强度参数如下表所示 ： 0031 表 1 某岩石试样长期强度参数 0032 说 明 书 CN 104132848 A 5 4/4 页 6 0033 表中 ： s为瞬时屈服强度(单位 ： MPa)、 C为瞬时粘聚力(单位 ： 。

20、MPa)、 为瞬时内 摩擦角 ( 单位 ： )， 瞬时参数通过常规三轴试验得到 ； 为长期屈服强度 ( 单位 ： MPa)、 C为长期粘聚力 ( 单位 ： MPa)、为长期内摩擦角 ( 单位 ： )， 其余为长期强度参数。 0034 实施例 2 ： 基于稳态流变速率确定地下水封洞库围岩长期强度参数的方法 ： 0035 试验试样的制备、 试验实施过程步骤与实施例1一样， 其不同点在于对渗流-应力 耦合作用下三轴流变试验结果的处理不同 ： 0036 基于确定岩石长期强度的稳态流变速率法， 选取流变变形量较大， 规律性较好的 试验数据， 针对不同应力水平下的岩石稳态流变阶段的流变速率进行分析。通过分。

21、析可以 得知， 在不同应力水平作用下稳态流变阶段的流变速率可以用指数函数来进行描述， 如图 3 所示为稳态流变阶段不同应力水平下应变速率的分布图， 按照指数函数进行拟合， 根据曲 线中的拐点进行长期强度的确定。通过对岩石稳态流变速率分析， 采用指数函数拟合其结 果精度较高， 相应的相关系数可达 0.85 以上 ； 0037 通过对结果的分析研究， 将流变速率与应力应变关系图的拐点处的应力值可以确 定为岩石的长期强度值， 下表为基于稳态流变速率法确定的地下水封洞库围岩长期强度 值。 0038 表 2 两种方法确定的岩石长期强度参数对比 0039 0040 通过比较发现， 基于各级应力水平条件下的。

22、匀速稳态流变阶段流变速率法来 确定的岩石长期强度值与根据应力 - 应变等时曲线法所确定的流变长期强度值较为近 似相对误差为 6.46， 其值小于瞬时强度参数 (160.6Mpa) 与长期强度参数的相对误差 (14.69 )， 通过统计发现， 相对误差均在 8以内。对比分析说明提出的基于稳态流变速 率法可以较为精确地估计出岩石长期强值， 而且较为简单直观， 对于处于渗流 - 应力耦合 作用下的地下水封洞库工程具有一定的实用性。 0041 如上， 尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明， 但其不得解释为对 本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下， 可对其在 形式上和细节上作出各种变化。 说 明 书 CN 104132848 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104132848 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 104132848 A 8 。