CN109060539B - 一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法。所述方法包括：采用微米级压头开展岩石微米压痕实验，获取加载过程中的载荷—位移曲线，结合压痕实验公式可获取不同位移条件下岩石弹性模量；对岩石试样开展微CT扫描，建立压痕区域岩石骨架的有限元网格模型；以微米压痕实验得到的弹性模量作为输入参数模拟岩石单轴压缩过程，获得模型整体弹性模量并与岩芯单轴压缩实验对比，确定有效表征岩石微米弹性模量的压入深度RVE；然后，开展不同屈服强度条件下的岩样压痕实验数值模拟，并将模拟得到的加卸载载荷—位移曲线与压痕实验进行对比验证，从而确定岩石微米级的屈服强度。

Description

一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度获取方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种岩石微尺度力学参数的获取方法。
背景技术
岩石作为一种非均质多孔介质材料，其宏观力学性质与孔隙结构特征、矿物组分密切相关。大量理论、实验表明，岩石的变形及破裂源于微观。微尺度的岩石变形及破裂研究需要相应尺度的力学参数。然而，传统单轴、三轴压缩等试验的岩样尺寸均在厘米级以上，得到的岩石力学参数只能满足宏观岩石力学性质的研究，这些实验在岩样的制取、精度测量根本无法应用到微米级别岩石的参数的研究。对于微米尺度的材料力学性能测试也面临着众多难题，例如样品尺寸测量、应变—位移的测定以及样品的制备等。
针对目前岩石微米尺度力学参数难以获取的缺陷，本发明公开一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度参数的实验及数值模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于岩石微尺度弹性模量及屈服强度的获取方法，通过综合运用岩石微米压痕实验及数字岩心模拟技术，解决目前实验手段难以获取岩石微尺度力学参数的缺陷。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
(一)将原始岩心制成厚度为5mm的切片，并进行抛光处理，确保切片上下两个底面平行、光滑。利用制备的岩样切片开展压痕实验，获取仪器压头压入样品过程中的载荷—位移曲线，利用压痕实验公式得出不同压入深度条件下的岩石弹性模量；对切片后岩样开展单轴压缩试验，获得宏观尺度下岩石弹性模量数据。
(二)对压痕实验中切片的压痕部分制样并开展微观CT扫描，获得岩石微观结构图像；基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架的有限元网格模型；
(三)以岩石微米压痕实验得到的岩石弹性模量作为输入参数，开展单轴压缩数值模拟，并将模型整体表现出的弹性模量与单轴压缩实验结果进行对比验证，以确定可表征该岩样微米级弹性模量的压入深度RVE。
(四)基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架及压头的有限元网格模型；假设岩石为理想Von-Mises各向同性强化弹塑性材料，压头和测试样品为刚—柔接触方式，遵循基本库仑—摩擦接触模型，计算过程考虑几何大变形；开展压痕实验过程的数值模拟，通过模拟不同屈服强度条件下的加卸载曲线并与压痕实验进行比对，从而确定该岩样微米尺度的屈服强度参数。
与传统技术相比，本发明的有益效果在于：
解决了传统技术在实验设备、方法、样品制取和测量精度等方面均无法应用至微观尺度的缺陷，为岩石微米级力学参数获取提供了新的研究方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明方法的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步说明。
图1为本发明实施例所述的岩石微米级弹性模量及屈服强度获取方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一个岩样切片及实验压痕分布图。
图3为本发明实施例提供的一个岩样压痕实验的加卸载过程位移—载荷分布曲线。
图4为本发明实施例提供的一个岩样切片压痕区的微CT图像及其骨架数字岩心模型。
图5为本发明实施例提供的岩样单轴压缩数值模拟得到的岩样应力及应变分布云图。
图6为本发明实施例提供的岩样压痕实验得到的弹性模量、数字岩心模型弹性模量与岩样单轴压缩弹性模量对比曲线。
图7为本发明实施例提供的压痕实验数值模拟采用的一个岩样骨架及压头模型图。
图8为本发明实施例提供的压痕实验数值模拟得到的岩样S7不同屈服强度下的位移—载荷曲线与压痕实验曲线对比图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、达成目的和模型功效易于说明，下面结合附图及实施例，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。需要知悉的是，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域的其他技术人员在没有其他创新性劳动的前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护范围。
图1是本申请一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度获取方法实施例的流程图，包括以下步骤。
S1：制备用于微米压痕实验的岩心切片，从原始岩样上制取2mm厚的岩石切片，并对其进行表面抛光处理，同时保证岩样切片上下表面的平行。本实施例共选用两类岩样作为研究对象，其中S7为砂岩，MS1为人造砂岩。
压痕实验过程将试样固定在样品台处，保证岩石切片下表面与样品台的完全接触，调整样品台位置以选取合适的测点位置；通过调整仪器右侧旋钮使实验仪压头至刚接触岩石样品的位置，点击实验仪配套软件界面上的下降按钮，对实验仪压头位置进行微调，直至压头完全接触；以50mN/s的加载速度加载至目标载荷，停留5s后开始卸载，记录加卸载力与位移。图2所示为本实施例所制备的岩样切片及实验压痕分布。
此时测试材料的简约弹性模量由下式计算。
Figure BDA0001806197720000031
式中，Ac是压头与测试样品接触区域沿加载方向的投影面积，是接触深度hc的函数。其中，S是卸载曲线的初始斜率，Pmax是压入载荷的最大值，可由如图3所示的本实施例一次实验得到的载荷—位移曲线求得。
Figure BDA0001806197720000032
对于圆锥形压头，
Ac＝24.5(hc+0.011427)2 (3)
其中，α为中心线与锥面的夹角。
测试材料的弹性模量与简约弹性模量的关系为：
Figure BDA0001806197720000033
其中，E和ν为测试材料的弹性模量和泊松比(砂岩泊松比取0.31)，E1和ν1为压头的弹性模量和泊松比。压头为金刚石，其弹性模量为1141GPa，泊松比为0.07。
S2：对压痕区域岩样开展微CT扫描，获得样品微结构特征图像；结合数字岩心技术，构建压痕处岩石骨架的有限元网格模型；图4所示为本实施例的一个岩样微CT图像及其岩石骨架有限元网格模型。
S3：将重建的岩石骨架数字岩心模型导入ANSYS软件，以不同压入深度条件下压痕实验得到的弹性模量作为输入参数，开展岩石单轴压缩数值模拟，模型沿z轴方向的上表面施加均布压力荷载，下表面施加固定约束条件；通过监测不同均布载荷条件下上表面的应变量，确定模型的弹性模量。图5所示为模型MS1-③在10MPa均布载荷下的Von-Mises应力及应变分布场图。当数值模拟得到的模型整体弹性模量与单轴压缩试验一致时，该压入深度为该岩样微米力学参数的RVE，此时压痕实验得到的为其微米尺度弹性模量。图6所示为本实施例的岩样压痕实验得到的弹性模量、数字岩心模型弹性模量与岩样单轴压缩弹性模量对比曲线。
S4:采用数字岩心建模技术，建立岩石骨架及压头的有限元网格模型。图7所示为本实施例采用的一个岩样骨架及压头的几何模型示意图，岩石模型尺寸为2mm×2mm×2mm，压头为120°圆锥体。鉴于实验过程压入深度在100μm以内，压头模型高100μm。由于该模型计算过程中涉及材料非线性与几何非线性的计算问题，网格质量及载荷步长显著影响数值模拟结果的收敛性。因此将圆锥形金刚石压头假定为刚体，有效减少了接触区域的网格数目，避免了因接触区域计算节点过多造成的收敛困难。假设岩石为理想Von-Mises各向同性强化弹塑性材料，压头和测试样品为刚—柔接触方式，遵循基本库仑—摩擦接触模型，计算过程考虑几何大变形。模型弹性模量数据选用压痕实验对应测点的弹性模量数据，采用多步加载载荷的方式，每个加载步位移收敛条件设置为0.1μm，接触面法向力收敛条件设置为1mN，应变能收敛条件设置为0.1mJ。
假设该模型微尺度屈服强度在某一区间上，通过模拟不同屈服强度条件下的加卸载曲线并与压痕实验进行对比，即可不断缩小真实屈服强度的所在区间，并最终确定其数值。以模型S7-①为例，数值模拟过程中所采用的屈服强度依次为50—70—80—83—85—100—120MPa，基于数值模拟结果绘制出相应的加卸载曲线，如图8所示，当屈服强度Y＝83MPa时，数值模拟加卸载曲线与实验曲线较好吻合，因此微米尺度下岩样S7-①的屈服强度为83MPa，该数值大约为单轴压缩测得屈服强度(37MPa)的2.24倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，用于描述本发明的基本原理、特征和主要优点，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法，其特征在于，该方法包括：
利用制备的岩样切片开展压痕实验，获取压头压入样品过程中的载荷—位移曲线，利用压痕实验公式得出不同压入深度条件下的岩石微米级弹性模量；对切片后剩余岩样开展单轴压缩试验，获得宏观尺度下岩石弹性模量数据；
开展微观CT扫描，获得岩石微观结构图像；基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架的有限元网格模型；
开展单轴压缩数值模拟，并将模型整体求得的弹性模量与单轴压缩实验结果进行对比验证，以确定可表征该岩样微米级弹性模量的压入深度；
基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架及压头的有限元网格模型；开展压痕实验过程的数值模拟，通过模拟不同屈服强度条件下的加卸载过程载荷—位移曲线并与实验结果进行比对，从而确定该岩样微米尺度的屈服强度。
2.根据权利要求1所述的一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法，其特征在于，所述岩样切片厚度为5mm，样品表面进行抛光处理，确保切片上下两个底面平行、光滑。
3.根据权利要求1所述的一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法，其特征在于，对压痕实验中的岩样压痕部位钻取小岩心样品并利用微观CT对小岩样开展扫描成像。
4.根据权利要求1所述的一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法，其特征在于，采用ANSYS软件模拟岩石单轴压缩过程，以岩样微米压痕实验得到的弹性模量作为输入参数，模型沿z轴方向的上表面施加均布压力荷载，下表面施加固定约束条件；通过监测不同均布载荷条件下上表面的应变量，确定模型的弹性模量。
5.根据权利要求1所述的一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法，其特征在于，压痕实验数值模拟过程中，假设岩石为理想Von-Mises各向同性强化弹塑性材料，压头和测试样品为刚—柔接触方式，遵循基本库仑—摩擦接触模型，计算过程考虑几何大变形。
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