技术领域
[0001] 本发明涉及工程岩石力学的分析方法领域，具体涉及一种岩石侧限膨胀本构关系分析方法。
相关背景技术
[0002] 岩石膨胀是岩石的一种内在的力学属性，尤其膨胀岩，在遇水发生物理化学反应时产生体积膨胀，其力学作用十分显著，是工程力学领域重点关注的内容之一。由于岩石膨胀发生过程中膨胀力与膨胀变形是一种此消彼长的关系，与经典弹性力学本构关系不相符，目前，对岩石膨胀的试验测试和理论研究多关注于最大膨胀力、最大自由膨胀率的测试和试验测试数据的回归分析，这些理论难以同时综合反映岩石含水状态、膨胀应力状态和膨胀变形状态三者关系。
[0003] 因此，开发一种新岩石侧限膨胀本构关系分析方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
具体实施方式
[0048] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0049] 实施例一：如图1所示，一种岩石侧限膨胀本构关系分析方法，包括如下步骤：
[0050] 第一步，由实验取得岩石参数中影响岩石膨胀属性的类别、密度和含水率参数，其中，岩石的类别和密度可通过力学实验得知其参数值，含水率则通过含水率测试试验得知，含水率测试中分别包括①岩石初始状态下含水率，②膨胀状态下含水率，③岩石最大含水率，最大含水率即膨胀行为达到极限状态下的含水率，④岩石在吸水膨胀过程中吸水率由快速增加变为缓慢增加处对应的含水率。
[0051] 在岩石膨胀过程中，含水率指标是影响膨胀的关键性因素，而岩石的密度则对岩石的吸水率和膨胀能力均有不同程度影响，因此，在岩石的各项参数中，建立岩石的密度、含水率与岩石膨胀能力的本构关系尤为重要，第二步就是建立岩石密度和含水率参数与膨胀能力的关系表达式。
[0052] 岩石膨胀后产生的膨胀应力和膨胀应变与岩石自身的膨胀能力相关，因此，第三步建立岩石膨胀能力与外在表现形式中膨胀应力和膨胀应变的关系表达式。
[0053] 岩石自身的参数，尤其是含水率变化是其膨胀能力的主要影响因素，而岩石受侧限影响所体现的膨胀应力和膨胀应变则是其自身膨胀能力的一个反向影响因素，因此，最后一步为通过岩石的膨胀能力，结合其内在参数与外在表现形式，得出岩石参数与膨胀应力和膨胀应变之间的关系。
[0054] 所述第二步中岩石的膨胀能力与其自身属性相关的参数有类别、密度和含水率，表述的关系式如下：
[0055]
[0056] 其中，kr为岩石膨胀活跃系数，表示单位质量膨胀岩具有的膨胀能量、反映不同岩3
石类别膨胀的差异性，单位为m·N/kg；ρd为岩石干密度，单位为 kg/m ；w为计算膨胀状态下的含水率；w0为岩石膨胀初始状态下的含水率； wmax为最大含水率，即膨胀行为达到极限状态下的含水率；wv为岩石在吸水膨胀过程中吸水率由快速增加变为缓慢增加处对应的含水率，可取初始含水率与最大含水率的平均值。
[0057] 所述第三步中，膨胀应力和膨胀应变的大小取决于对应的膨胀能力，膨胀应力所对应的膨胀能力与膨胀应变所对应的膨胀能力间是独立的，不存在相互关联，膨胀应力对应的膨胀能力Qσ与膨胀应变对应的膨胀能力Qε之和等于岩石的总体膨胀能力Qs，三者之间的关系表达式为：
[0058] Qs＝Qσ+Qε；
[0059] 其中，Qσ表示膨胀行为中膨胀应力对应的膨胀能力，Qε表示膨胀行为中膨胀变形对应的膨胀能力；
[0060] 所述膨胀能力Qσ与所对应的膨胀应力σp之间的转换关系如下：
[0061] Qσ＝βσp；
[0062] 其中，β为岩石膨胀力转化系数；
[0063] 所述膨胀能力Qε与所对应的膨胀应变εp之间的转换关系如下：
[0064] Qε＝ωεp0.5；
[0065] 其中，ω为岩石膨胀应变转化系数，单位为kPa。
[0066] 所述膨胀应力和膨胀应变与对应的膨胀能力之间的的转化系数β和ω随着岩石种类、密度及含水率的不同而改变。
[0067] 即：
[0068] Qs＝βσp+ωεp0.5。
[0069] 所述步骤(4)中，岩石的膨胀能力可得出以下关系表达式：
[0070]
[0071] Qs＝βσp+ωεp0.5；
[0072] 由此可得出岩石参数与膨胀应力和膨胀应变之间的关系表达式为：
[0073]
[0074]
[0075] 所述膨胀应力和膨胀应变的转化系数β和ω通过膨胀应力‑应变关系表达式拟合一定吸水率条件下膨胀应力‑应变试验数据曲线获得。
[0076] 岩石膨胀过程中其外在表现包括单一膨胀应力，单一膨胀应变以及膨胀应力和膨胀应变同时出现三种形式，岩石参数与膨胀应力和膨胀应变之间的关系表述中，当σp＝0时，则对应着岩石侧限下单一膨胀变形状态，单一膨胀应变表述如下：
[0077]
[0078] 当εp＝0时，则对应着岩石侧限下单一膨胀力状态，单一膨胀应力表述如下：
[0079]
[0080] 实施例二：以石膏质膨胀岩为例，所述石膏质膨胀岩的实验参数有：最大含水率wmax为24％，岩石膨胀初始状态含水率w0为0，岩石在吸水膨胀过程中吸水率由快速转为缓‑5慢的含水率wv为12％，岩石膨胀活跃系数kr为3× 10 m·N/kg，岩石干密度取值ρd为
3
2500kg/m，岩石膨胀力转化系数β为0.4，岩石膨胀率转化系数ω为90kPa。
[0081] (1)建立岩石膨胀能力与吸水率的关系：
[0082] 将w0＝0、wv＝12％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入膨胀能力表述式：可获得膨胀能力与吸水率的变化曲线，如图 2所示，图示
中为膨胀能力与吸水率的关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀能力与吸水率的变化关系。
[0083] (2)建立岩石膨胀应力与含水率关系：
[0084] 将w0＝0和4％、wv＝12％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入单一膨胀应力的表述式： 可获得膨胀应力与吸水率的变化曲线，如图3所示，图示中为膨胀应力与吸水率关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀应力与吸水率的变化关系。
[0085] (3)建立岩石膨胀应力与初始含水率关系：
[0086] 将wmax＝24％、wv＝12％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入单一膨胀应力的表述式： 可获得膨胀应力与初始含水率的变化曲线，如图4所示，图示中为膨胀应力与初始含水率关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀应力与初始吸水率的变化关系。
[0087] (4)建立岩石膨胀应变与含水率关系：
[0088] 将w0＝0和4％、wv＝12％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入单一膨胀应变的表述式： 可获得膨胀应变与吸水率的变化曲线，如图5所示，图示中为膨胀应变与吸水率关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀应变与吸水率的变化关系。
[0089] (5)建立岩石膨胀应变与初始含水率的关系：
[0090] 将wmax＝24％、wv＝12％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入单一膨胀应变的表述式： 可获得膨胀应变与初始含水率的变化曲线，如图6所示，图示中为膨胀应变与初始含水率关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀应变与初始含水率的变化关系。
[0091] (6)建立岩石膨胀应变与膨胀应力的变化关系：
[0092] 将w0＝0、wv＝12％、wmax＝24％、kr＝3×10‑5m·N/kg，ρd＝2500kg/m3，代入膨胀应变与膨胀应力的综合表述式： 可获得膨胀应变与膨胀应力的变化曲线，如图7所示，图示中为膨胀应力与膨胀应变关系曲线图，由图示可得知岩石膨胀应变与膨胀应力的变化关系。
[0093] 由以上实施例的描述，可得出岩石的类别、密度和含水率参数与膨胀应力和膨胀应变之间的关系，从而建立岩石侧限膨胀的本构关系分析方法。
[0094] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
