CN103940666A - 一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，属于一种岩石力学测定方法。首先对需测试的工程岩体进行取样，制成完整和断续裂隙长方体试样；将制成的试样置于伺服试验机密闭压力缸内，先使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；按位移加载对试样施加轴向压力，使试样加载至破裂，得到试样压缩过程应力-应变全过程曲线、裂纹扩展过程和最终破裂模式；采用二维颗粒流程序（PFC2D）建立完整试样数值模型，通过不断调试细观参数，获得一组能够反映完整岩样试验结果的细观参数；在上述细观参数的基础上，建立断续裂隙数值模型，进行压缩过程模拟，模拟结果与断续裂隙岩样试验结果对比，进一步验证细观参数的准确性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种岩石力学测定方法，具体为一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法。
背景技术：
在岩石力学领域，裂隙岩石是矿山、水利、石油、核废料存储等各种岩石工程中经常遇到的一种复杂介质。大量工程实践表明，岩石工程的失稳破坏，通常是由于内部裂隙的张开、起裂、扩展以及贯通而产生新的剪切滑动面所引起的。研究裂隙分布对岩石强度变形等力学参数的影响和裂纹起裂、扩展和贯通模式具有重要的理论价值和实践意义。
采用试验手段，包括模型试验和物理试验虽然能较为直观的获取裂纹起裂、扩展和贯通过程，但存在操作复杂、费用高和周期长等缺点。随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值模拟可重复性强、准确等优点，使得数值模拟分析越来越受到重视。
二维颗粒流程序（PFC2D）是ITASCA公司基于离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用的大型数值程序；二维颗粒流程序为现有的一种数值计算软件。在岩石力学领域，PFC已经广泛应用于模拟和解决不同尺度下的岩石力学问题。PFC能够从细观层面再现岩石复杂的力学行为，并有助于揭示岩石的变形破坏机理。因此，PFC数值模拟提供了从细观层面研究断续裂隙岩石力学特性的思路。
发明内容：
技术问题：本发明的目的是提出一种确定方法快速、简便、易行、效果良好的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法。
技术方案：本发明模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，包括如下步骤：
a.首先对需测试的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成完整和断续裂隙长方体试样；
b.将制成的完整和断续裂隙长方体试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，先使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；
c.按位移加载速率对完整和断续裂隙长方体试样施加轴向压力，使试样加载至破裂，得到完整和断续裂隙长方体试样压缩过程应力-应变全过程曲线和破裂岩石试样；
d.采用二维颗粒流程序（PFC2D）建立完整试样数值模型，完整数值模型尺寸与完整岩样相同；通过不断调整二维颗粒流程序模拟位移加载速率及二维颗粒流程序中描述颗粒和黏结几何和力学的细观参数，细观参数包括：颗粒密度、颗粒最小半径、颗粒最大半径与最小半径比值、颗粒接触模量、颗粒法向刚度与切向刚度比值、颗粒摩擦系数、黏结半径乘子、黏结模量、黏结法向刚度与切向刚度比值、黏结法向强度平均值与标准差、黏结切向强度平均值与标准差，从而获得一组能够反映完整岩样试验结果的细观参数；
e.在上述细观参数的基础上，建立断续裂隙数值模型，使断续裂隙数值模型尺寸与断续裂隙岩样相同；再进行压缩过程模拟，模拟结果与断续裂隙岩样试验结果对比，进一 步验证细观参数的准确性。
所述的完整与断续裂隙长方体试样的高度与宽度之比为2：1。
所述的位移加载速率为0.001～0.002mm/s。
所述的二维颗粒流程序模拟位移加载速率为0.05～0.2m/s。
所述的细观参数调整过程为：首先赋予完整数值模型一组细观参数，进行模拟计算；将模拟计算得到的宏观参数与室内试验结果进行对比；通过不断调整细观参数，当达到参数调试标准时，即可认为该细观参数合理。
所述的参数调试标准主要体现在如下方面：
a.数值模拟获得的应力-应变曲线与室内试验曲线定性相似；
b.数值模拟获得的峰值强度和弹性模量等基本力学参数与室内试验结果相同；
c.数值模拟获得的裂纹扩展顺序与室内试验结果相同；
d.数值模拟获得的最终破坏模式与室内试验结果相同。
有益效果：本发明适用于模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，通过建立完整岩石试样单轴或三轴压缩模型，采用基于完整试样室内试验结果调试的细观参数进行断续裂隙岩石试样单轴或三轴压缩试验，模拟结果与断续裂隙岩石室内试验结果对比能够进一步验证该细观参数的准确性。裂隙岩石室内试验与模拟结果有助于加深对断续裂隙岩石力学行为的认识。该方法快速、简便、易行，效果良好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1（a）为完整长方体砂岩试样示意图；
图1（b）为PFC2D构建的完整矩形数值模型示意图。
图2为完整砂岩试样单轴压缩试验与完整数值模型单轴压缩模拟应力-应变曲线对比图。
图3（a）为完整砂岩试样单轴压缩试验最终破裂模式示意图。
图3（b）为完整砂岩试样单轴压缩试验最终破裂模式示意图。
图4（a）为PFC2D构建的断续三裂隙矩形数值模型示意图。
图4（b）为断续三裂隙试样几何参数图示。
图5为断续三裂隙砂岩试样单轴压缩试验与断续三裂隙数值模型单轴压缩模拟应力-应变曲线对比图。
图6（a）为断续三裂隙砂岩试样单轴压缩试验最终破裂模式图。
图6（b）为断续三裂隙数值模型单轴压缩模拟最终破裂模式图。
图组7（a）为断续三裂隙砂岩试样单轴压缩试验裂纹扩展过程示意图。
图组7（b）为断续三裂隙数值模型单轴压缩模拟裂纹扩展过程示意图。
具体实施方式
实施例1：以取自中国山东省临沂市脆性砂岩为例，介绍一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，包含如下步骤：
a.首先对需测试的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成完整和断续三裂隙长方体试样。所述的完整和断续裂隙长方体试样的高度与宽度之比为2：1；完整长方体砂岩试样如图1（a）所示，其中试样的宽度L约为80mm，高度H约为160mm，厚度W约为30mm。断续裂隙参数如图4（b）所示，其中α=30°，β1=60°，β2=75°，2a=15mm，2b1=20mm，2b2=20mm，三条裂隙的宽度均近似为2.5mm；
b.将制成的完整和断续三裂隙长方体试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，先使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；
c.按位移加载速率(速率为8.125×10-6s-1)对完整和断续三裂隙长方体试样施加轴向压力，使试样加载至破裂，得到完整和断续三裂隙长方体试样压缩过程应力-应变全过程曲线和破裂岩石试样。完整砂岩试样的应力-应变曲线如图2所示，获得的峰值强度、弹性模量和峰值应变等基本力学参数如表2所示，最终破裂模式如图3(a)所示。断续三裂隙砂岩试样的应力-应变曲线如图5所示，最终破裂模式如图6(a)所示，裂纹扩展过程如图组7(a)所示；所述的位移加载速率为0.001～0.002mm/s。
d.采用二维颗粒流程序（PFC2D）建立完整数值模型，完整数值模型尺寸与完整岩样相同；通过调整二维颗粒流程序模拟位移加载速率和细观参数获得一组能够反映完整岩样试验结果的参数。其中，构建的完整数值模型如图1（b）所示，PFC模拟位移加载速率为0.2m/s，细观参数主要包含颗粒密度、颗粒最小半径、颗粒最大半径与最小半径比值、颗粒接触模量、颗粒法向刚度与切向刚度比值、颗粒摩擦系数、黏结半径乘子、黏结模量、黏结法向刚度与切向刚度比值、黏结法向强度平均值与标准差、黏结切向强度平均值与标准差，具体取值如表1所示。由表1所示细观参数模拟得到的完整矩形模型单轴压缩应力-应变曲线与试验曲线对比如图2所示，峰值强度、弹性模型和峰值应变等基本力学参数对比如表2所示，最终破坏模式如图3（b）所示。通过对比，采用表1所示细观参数模拟结果与室内试验结果基本一致，由此可以认为所确定的细观参数是合理的；所述的二维颗粒流程序模拟位移加载速率为0.05～0.2m/s。
e.在上述细观参数的基础上，建立断续三裂隙数值模型单轴压缩过程数值模拟，断续裂隙数值模型尺寸与断续裂隙岩样相同；模拟结果与断续裂隙岩样试验结果对比，进一步验证细观参数的准确性。构建的断续三裂隙数值模型如图4（a）所示，由表1所示细观参数模拟得到的断续三裂隙数值模型单轴压缩应力-应变曲线与试验曲线对比如图5所示，最终破坏模式如图6（b）所示，裂纹扩展过程如图组7（b）所示。通过对比，采用表1所示细观参数模拟结果与室内试验结果基本一致，由此可以认为所选用的细观参数是比较准确、合理的；
所述的细观参数调整过程为：首先赋予完整数值模型一组细观参数，进行模拟计算；将模拟计算得到的宏观参数与室内试验结果进行对比；通过不断调整细观参数，当达到参数调试标准时，即可认为该细观参数合理。
所述的参数调试标准主要体现在如下方面：
a.数值模拟获得的应力-应变曲线与室内试验曲线定性相似；
b.数值模拟获得的峰值强度和弹性模量等基本力学参数与室内试验结果相同；c.数值模拟获得的裂纹扩展顺序与室内试验结果相同；
d.数值模拟获得的最终破坏模式与室内试验结果相同。
表1完整脆性砂岩试样细观参数
| 参数 | 取值 | 参数 | 取值 |
| 颗粒最小半径/mm | 0.3 | 平行黏结半径乘子 | 1.0 |
| 颗粒粒径比 | 1.6 | 平行黏结模量/GPa | 24.25 |
| 颗粒密度/(kg/m3) | 2650 | 平行黏结刚度比 | 1.3 |
| 颗粒接触模量/GPa | 24.25 | 法向黏结强度（MPa） | 113±18.08 |
| 颗粒刚度比 | 1.3 | 切向黏结强度（MPa） | 180.08±29.93 |
| 颗粒摩擦系数 | 0.35 |
表2完整脆性砂岩试样单轴压缩结果对比
| 峰值强度/MPa | 弹性模量/GPa | 峰值应变/10-3 | |
| 室内试验 | 190.80 | 35.64 | 7.05 |
| PFC模拟 | 191.21 | 36.40 | 5.39 |
Claims (6)
1.一种模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征是：包括如下步骤：
a.首先对需测试的工程岩体进行取样，将取样得到的岩体制成完整和断续裂隙长方体试样；
b.将制成的完整和断续裂隙长方体试样置于伺服试验机的三轴密闭压力缸内，先使试验机压头与岩样上、下端部紧密接触；
c.按位移加载速率对完整和断续裂隙长方体试样施加轴向压力，使试样加载至破裂，得到完整和断续裂隙长方体试样压缩过程应力-应变全过程曲线和破裂岩石试样；
d.采用二维颗粒流程序（PFC2D）建立完整试样数值模型，完整数值模型尺寸与完整岩样相同；通过不断调整二维颗粒流程序模拟位移加载速率及二维颗粒流程序中描述颗粒和黏结几何和力学的细观参数，细观参数包括：颗粒密度、颗粒最小半径、颗粒最大半径与最小半径比值、颗粒接触模量、颗粒法向刚度与切向刚度比值、颗粒摩擦系数、黏结半径乘子、黏结模量、黏结法向刚度与切向刚度比值、黏结法向强度平均值与标准差、黏结切向强度平均值与标准差，从而获得一组能够反映完整岩样试验结果的细观参数；
e.在上述细观参数的基础上，建立断续裂隙数值模型，使断续裂隙数值模型尺寸与断续裂隙岩样相同；再进行压缩过程模拟，模拟结果与断续裂隙岩样试验结果对比，进一步验证细观参数的准确性。
2.根据权利要求1所述的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征在于：所述的完整和断续裂隙长方体试样的高度与宽度之比为2：1。
3.根据权利要求1所述的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征在于：所述的位移加载速率为0.001～0.002mm/s。
4.根据权利要求1所述的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征在于：所述的二维颗粒流程序模拟位移加载速率为0.05～0.2m/s。
5.根据权利要求1所述的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征在于：细观参数调整过程为：首先赋予完整数值模型一组细观参数，进行模拟计算；将模拟计算得到的宏观参数与室内试验结果进行对比；通过不断调整细观参数，当达到参数调试标准时，即可认为该细观参数合理。
6.根据权利要求5所述的模拟断续裂隙岩石力学特性的细观参数确定方法，其特征在于：细观参数调试标准体现在如下方面：
a.数值模拟获得的应力-应变曲线与室内试验曲线定性相似；
b.数值模拟获得的峰值强度和弹性模量等基本力学参数与室内试验结果相同；
c.数值模拟获得的裂纹扩展顺序与室内试验结果相同；
d.数值模拟获得的最终破坏模式与室内试验结果相同。
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