CN104280299A - 基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法。基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，步骤如下：(1)、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定；(2)、各单矿物岩样制备；(3)、各单矿物岩样分别进行蠕变试验；(4)、建立单矿物岩样的蠕变模型；(5)、反演获得单矿物岩样的蠕变参数；(6)、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模；(7)、多矿物岩样的蠕变性质计算预测。本发明可以模拟实际工程岩体的实际矿物组成情况,不仅限于实验室尺度；应用范围广泛。

Description

基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法。

背景技术

21世纪是地下工程的世纪，国内外地下水电站、大型矿山巷道、地下铁道、过江隧道、地下石油储备洞库等，都在大规模兴建，而这些岩体工程的长期稳定性对于工程安全至关重要。实际上，岩石的变形并不是开挖完成后瞬间产生的，而是随着时间的增长逐渐变化的，甚至在有些破碎围岩中，蠕变变形远远大于瞬时变形。岩石的蠕变是指岩石在恒定应力作用下，应变随时间增长而增大的性质。因此，岩石的蠕变性质对于工程稳定是一个十分重要的问题。

目前国内外对于多矿物组成岩石蠕变性质的研究是一个难点，大多是基于实验室的小试块蠕变试验，尺寸一般在20cm以下。由于尺寸效应的影响，实验室小试块蠕变试验的试验结果很难应用于实际工程中。真实岩石的矿物组成大多十分复杂，多由几种矿物组成，即使对于同种岩性的岩石，由于地域不同，年代不同，其矿物组成也差异很大，从而影响到其蠕变性质也有差异。

为此，本发明提供一种基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法。该发法先通过试验得到每种单矿物岩石的蠕变性质，再根据岩石中各种矿物组成的比例，通过数值模拟方法计算得到多矿物岩石整体蠕变力学性质，有望在工程岩体蠕变变形预测方面取得较好地结果。

目前国内相关岩石蠕变性质研究方法的研究现状如下：

1、《岩石蠕变模型的比较与修正》一文介绍了一种岩石蠕变模型预测实验曲线的方法(参见《实验力学》2008年第1期，作者：李成波，等)，该方法对三种岩石在不同的应力下进行了蠕变实验，并将实验蠕变曲线分成二部分，第一部分用于模型参数的反演，第二部分用于模型预测数据的检验；但该方法只能预测岩石小试块的蠕变曲线，无法对大尺度的工程岩体蠕变性质进行预测；

2、《刚性承压板下深部岩体压缩蠕变参数反演》一文介绍了一种通过现场大型刚性承压板压缩蠕变试验研究岩体蠕变性质的方法(参见《岩土力学》2009年第3期，作者：杨文东，等)，该方法采用直径1米的圆型刚性承压板在水电站坝区的岩体表面施加持续的压缩荷载，研究现场岩体的蠕变性质，该方法的试验尺度较实验室试块更大，但也局限于只能反映实验工程的局部区域的蠕变力学性质，并且耗资巨大；

3、《高应力岩石蠕变与细观试验研究》一文介绍了一种利用CT实时成像系统记录岩石蠕变过程中裂纹扩展破坏来推测岩石蠕变性质的方法(参见江西理工大学硕士论文，作者翟有经)，试方法仅适用于实验室小试块试验，也难以应用于实际工程；

4、《锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究》一文介绍了一种采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的力学机制的分析方法(参见《岩土力学》2013年第12期，作者：孙金山，等)，该方法从细观力学角度研究了岩样蠕变损伤过程中，其内部微裂纹扩展造成岩样蠕变破裂的方法，但是没有考虑岩石多种矿物成分的影响。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，步骤如下：

(1)、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定

(2)、各单矿物岩样制备

(3)、各单矿物岩样分别进行蠕变试验

(4)、建立单矿物岩样的蠕变模型

(5)、反演获得单矿物岩样的蠕变参数

(6)、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模

(7)、多矿物岩样的蠕变性质计算预测。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、以单矿物岩石的蠕变性质及矿物比例为基础，计算获得多矿物岩石的蠕变性质，可以模拟实际工程岩体的实际矿物组成情况，不仅限于实验室尺度；

2、该发明方法可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域的多矿物岩体力学性能研究，应用范围广泛。

附图说明

图1为基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法流程示意图；

图2为蠕变曲线性质示意图；

图3为广义Kelvin模型示意图；

图4为西原模型示意图；

图5为多矿物岩石的网格单元随机分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，步骤如下：

1、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定，具体方法如下：

通过偏光显微镜下的岩石薄片鉴定法对岩样的矿物成分进行鉴定；应用网格法确定矿物的百分含量：选择岩石新鲜而又平整部位画上网格，统计各矿物分别占网格总面积的百分比，此百分比即为矿物的百分含量；也可通过X衍射物相定量分析法对岩样的矿物成分和比例进行鉴定；

2、各单矿物岩样制备，具体方法如下：

采集各单矿物岩样分别加工成直径与高度之比为1：2的圆柱形试样，要求圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05毫米，以消除岩样离散性的影响；

3、各单矿物岩样分别进行蠕变试验，具体方法如下：

采用三轴流变仪进行单轴和三轴的压缩蠕变试验；围压和轴向压力施加水平可根据实际岩体的瞬时力学实验结果进行调整，一般地，围压σ₃可取0～50MPa，轴向压力σ₁可取岩样瞬时抗压强度的60％～90％；

例如：制作一个直径50mm高度100mm的试样，安置在流变仪中进行试验，先施加围压σ₃＝5MPa，然后依次施加轴向压力σ₁并保持恒定，持续加载3～15天，观测并记录轴向应变ε₁和横向应变ε₃，观测ε₁～t关系曲线和试样破裂情况；

4、建立单矿物岩样的蠕变模型，具体方法如下：

根据单矿物岩样的蠕变试验曲线(见图2)，分析蠕变特征，不考虑加速蠕变阶段，建立相应的蠕变力学模型；

如果蠕变曲线表现出瞬时弹性变形和衰减蠕变变形，即蠕变速率随时间增长逐渐减小到0，可以选用广义Kelvin模型，见图3；如果蠕变曲线表现出瞬时弹性变形、衰减蠕变变形和等速蠕变变形，即蠕变速率随时间增长逐渐趋于不为0的常数，可以选用西原模型，见图4；

广义Kelvin模型的蠕变方程为:

西原模型的蠕变方程为: $\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{E_1}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{E_2}(1-e^{-\frac{E_2}{{\mathrm{\&eta;}}_1}t})& \mathrm{\&sigma;}<{\mathrm{\&sigma;}}_s\\ \frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{E_1}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0}{E_2}(1-e^{-\frac{E_2}{{\mathrm{\&eta;}}_1}t})+\frac{\mathrm{\&sigma;}-{\mathrm{\&sigma;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_2}& \mathrm{\&sigma;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&sigma;}}_s\end{array}\right.$

5、反演获得单矿物岩样的蠕变参数，具体方法如下：

根据上述建立的蠕变模型，采用最小二乘法参数反演方法获得单矿物岩样的蠕变参数；即通过不断调整力学参数，使计算曲线逐渐逼近试验曲线，通过多步迭代计算如果计算曲线与试验曲线吻合较好，拟合误差在设定的范围之内，即认为该参数为最终所求的蠕变参数；

6、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模，具体方法如下：

根据实际多矿物岩样的几何尺寸，在数值软件中建立相应的几何模型，并剖分网格，网格尺寸小于1mm；根据多矿物岩样成分的不同，将网格单元划分为不同的材料分组，每一个网格单元的材料分组随机设置，但保证所有网格单元的整体数量按照矿物成分的比例分布；

比如，一种多矿物岩样由三种不同矿物成分A、B、C组成，A:B:C＝5％:75％:20％；如图5所示，A矿物由绿色单元表示，B矿物由蓝色单元表示，C矿物由红色单元表示，每种矿物的网格单元在整体空间中随机分布，但三种矿物的网格单元总数等于整个岩样的网格单元数；

7、多矿物岩样的蠕变性质计算预测，具体方法如下：

将上述步骤获得的单矿物岩石的蠕变模型和蠕变参数应用到多矿物岩样的网格模型中，用数值软件进行蠕变计算，可以得到多矿物岩样的蠕变计算曲线，从而对多矿物岩样的蠕变性质进行预测。

Claims (8)

1.一种基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，步骤如下： 

(1)、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定 

(2)、各单矿物岩样制备 

(3)、各单矿物岩样分别进行蠕变试验 

(4)、建立单矿物岩样的蠕变模型 

(5)、反演获得单矿物岩样的蠕变参数 

(6)、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模 

(7)、多矿物岩样的蠕变性质计算预测。 

2.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定，具体方法如下：通过偏光显微镜下的岩石薄片鉴定法对岩样的矿物成分进行鉴定；应用网格法确定矿物的百分含量：选择岩石新鲜而又平整部位画上网格，统计各矿物分别占网格总面积的百分比，此百分比即为矿物的百分含量；也可通过X衍射物相定量分析法对岩样的矿物成分和比例进行鉴定。 

3.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，各单矿物岩样制备，具体方法如下：采集各单矿物岩样分别加工成直径与高度之比为1：2的圆柱形试样，要求圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05毫米，以消除岩样离散性的影响。 

4.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，各单矿物岩样分别进行蠕变试验，具体方法如下：采用三轴流变仪进行单轴和三轴的压缩蠕变试验；围压和轴向压力施加水平可根据实际岩体的瞬时力学实验结果进行调整，一般地，围压σ₃可取0～50MPa，轴向压力σ₁ 可取岩样瞬时抗压强度的60％～90％。 

5.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，建立单矿物岩样的蠕变模型，具体方法如下：根据单矿物岩样的蠕变试验曲线，分析蠕变特征，不考虑加速蠕变阶段，建立相应的蠕变力学模型；如果蠕变曲线表现出瞬时弹性变形和衰减蠕变变形，即蠕变速率随时间增长逐渐减小到0，可以选用广义Kelvin模型；如果蠕变曲线表现出瞬时弹性变形、衰减蠕变变形和等速蠕变变形，即蠕变速率随时间增长逐渐趋于不为0的常数，可以选用西原模型。 

6.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，反演获得单矿物岩样的蠕变参数，具体方法如下：根据上述建立的蠕变模型，采用最小二乘法参数反演方法获得单矿物岩样的蠕变参数；即通过不断调整力学参数，使计算曲线逐渐逼近试验曲线，通过多步迭代计算如果计算曲线与试验曲线吻合较好，拟合误差在设定的范围之内，即认为该参数为最终所求的蠕变参数。 

7.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模，具体方法如下：根据实际多矿物岩样的几何尺寸，在数值软件中建立相应的几何模型，并剖分网格，网格尺寸小于1mm；根据多矿物岩样成分的不同，将网格单元划分为不同的材料分组，每一个网格单元的材料分组随机设置，但保证所有网格单元的整体数量按照矿物成分的比例分布。 

8.根据权利要求1所述的基于细观组构模拟的岩石蠕变性质预测方法，其特征在于，多矿物岩样的蠕变性质计算预测，具体方法如下：将上述步骤获得的单矿物岩石的蠕变模型和蠕变参数应用到多矿物岩样的网格模型中，用数 值软件进行蠕变计算，可以得到多矿物岩样的蠕变计算曲线，从而对多矿物岩样的蠕变性质进行预测。