CN109344482B

CN109344482B - 一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法

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Publication number: CN109344482B
Application number: CN201811105769.4A
Authority: CN
Inventors: 黄达; 顾东明; 杨芸芸; 钟助; 宋宜祥
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109344482A

Abstract

本发明公开了一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1、建立碳酸盐岩在水作用下的力学性能劣化机制概化模型；步骤2、根据步骤1得到的机制概化模型建立不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能时效劣化离散元模型，得到不同浸水条件下多边形块体间的块体间粘结的力学性能随时间的量化相关性；步骤3、标定离散元模型的力学参数；进行室内不同浸水条件和浸水时间下碳酸盐岩力学试验，对步骤2中离散元模型的力学参数进行标定；步骤4、运用已标定参数的离散元模型，开展不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能离散元模拟。本发明真实反映了碳酸盐岩‑水相互作用机理，提出了其粘结二阶段劣化模型及其离散元模拟方法。

Description

一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法

技术领域

本发明涉及水作用下碳酸盐岩力学性能衰减数值模拟领域，具体是一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法。

背景技术

碳酸盐岩在我国分布十分普遍，典型岩石类型包括石灰岩、大理岩、白云岩、泥灰岩等。碳酸盐岩主要化学成分为方解石(主要成份碳酸钙)。水对碳酸盐岩的作用不仅仅限于软化作用，同时与碳酸钙在水长期作用下发生溶解密切相关。我国西南许多大型水电站库区的碳酸盐岩边坡(如三峡库区存在大量的石灰岩边坡，小湾水电站坝址区主要为大理岩)，另外我国石灰岩地层含有丰富的有机物残骸，使得该地层内存在大量的煤炭(奥陶系石灰岩地层及石炭二叠系)、石油及天然气资源。碳酸盐岩在地表水(水库、河流)及地下水等短期及长期浸泡作用下，具有不同的损伤破坏机制，其强度劣化具有明显的时效性。这种强度时效劣化效应可能造成岩体工程灾变，造成滑坡及地下工程围岩破坏。三峡水库自2003年开始蓄水起，造成了大量的石灰岩、泥灰岩边坡的破坏，如2008年发生的巫峡龚家坊滑坡。奥陶纪及二叠纪碳酸盐岩地层采煤突水灾害也经常发生，其浸水损伤破坏造成突水灾害是煤矿灾害第二灾害事件(仅次于瓦斯)，如开滦范各庄煤矿(石灰岩)2171工作面发生特大陷落柱突水，造成全矿被淹。

碳酸盐岩长期与水接触，导致岩石内裂隙、孔洞中的矿物或者胶结物(如碳酸盐、铁的氧化物等)在水中发生溶解、侵蚀，长期蠕变效应使岩石损伤、缺陷累进性扩展，产生突发破坏，形成滑坡、地下工程围岩破坏及突水灾害。基于地表水、地下水作用下岩石强度弱化常直接采用强度折减法对工程岩体的破坏过程进行数值模拟。例如周桂云等运用有限元强度折减法，计算十里铺水电站边坡水位下降时边坡的稳定安全系数。但是强度折减方法无法体现碳酸盐岩-水相互作用机理，而且折减多少以及如何折减没有明确的理论依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、根据水对碳酸盐岩中粘结的作用机理，建立碳酸盐岩在水作用下的力学性能劣化机制概化模型，该机制概化模型由矿物颗粒、成岩胶结物、沉积胶结物和水组成；运用离散单元法将碳酸盐岩内的矿物颗粒用多边形块体表征，胶结物用沉积类粘结和成岩类粘结共同表征；

步骤2、根据步骤1得到的机制概化模型建立不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能时效劣化离散元模型，得到不同浸水条件下多边形块体间的块体间粘结的力学性能随时间的量化相关性；

步骤3、标定离散元模型的力学参数；进行室内不同浸水条件和浸水时间下碳酸盐岩力学试验，对步骤2中离散元模型的力学参数进行标定；

步骤4、运用已标定参数的离散元模型，开展不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能离散元模拟。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明的突出效益是真实反映了碳酸盐岩-水相互作用机理，提出了其粘结二阶段劣化模型(沉积胶结物瞬时破坏，而成岩胶结物则随浸水时间及酸性浓度渐进性时效劣化)及其离散元模拟方法。

(2)数值方法成本低且具有较好的拓展性，本发明通过离散元方法实现了水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化的数值模拟，这样可以通过少量的室内试验标定力学性能参数后，可开展大量的不同压力及浸水时间的碳酸盐岩力学行为的数值模拟研究，而数值模拟不产生除计算机运行及人工费之外其它费用。

(3)可应用工程岩体灾变模拟，具有很好的工程应用前景。本发明所建立的碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，可以有效地模拟浸水时间、水酸性环境等对碳酸盐岩力学性能的劣化规律，可以应用于浸水边坡及地下工程等灾变预测及演化过程的模拟，有利于工程岩体稳定性评价及灾害机制分析。

附图说明

图1为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的方法流程框图。

图2为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的机制概化模型的初始状态图。

图3为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的机制概化模型的短期浸水图。

图4为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的机制概化模型的长期浸水图。

图5为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的离散元模型的初始状态图。

图6为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的离散元模型的短期浸水图。

图7为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的离散元模型的长期浸水图。

图8为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的室内不同浸水条件下碳酸盐岩单轴压缩试验图。

图9为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法一种实施例的室内不同浸水条件下碳酸盐岩劈裂试验图。

图10为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法实施例1的碳酸盐岩单轴压缩强度随浸泡时间变化的试验与模拟结果对比图。

图11为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法实施例1的碳酸盐岩抗拉强度随浸泡时间变化的试验与模拟结果对比图。

图12为本发明水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法实施例1的碳酸盐岩弹性模量随浸泡时间变化的试验与模拟结果对比图。

(图中：1、成岩胶结物；2、矿物颗粒；3、沉积胶结物；4、水；5、多边形块体；6、成岩类粘结；7、沉积类粘结；8、块体间粘结)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、根据水对碳酸盐岩中粘结的作用机理，建立碳酸盐岩在水作用下的力学性能劣化机制概化模型，该机制概化模型由矿物颗粒2、两种胶结物(成岩胶结物1和沉积胶结物3)和水4组成(参见图2-4)；运用离散单元法将碳酸盐岩内的矿物颗粒2用多边形块体5(block)表征，胶结物用沉积类粘结7和成岩类粘结6共同表征；水对沉积胶结物3的作用机制是快速破坏，对成岩胶结物1则为渐进性时效劣化的作用机制；

步骤2、根据步骤1得到的机制概化模型建立不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能时效劣化离散元模型，得到不同浸水条件下多边形块体5间的块体间粘结8的力学性能(强度和刚度)随时间的量化相关性；

进一步，所述步骤1中，该机制概化模型包括：1)在短期浸水作用下，浸水仅破坏碳酸盐岩中沉积胶结物3；2)在长期浸水作用下，将逐渐破坏碳酸盐岩中成岩胶结物1且这类破坏具有显著的时效性。

在机制概化模型中，多边形块体5间通过块体间粘结8(bond)产生相互作用，此块体间粘结8用沉积类粘结7(bond1)和成岩类粘结6(bond2)共同表征。

在机制概化模型中，沉积类粘结7具有碳酸盐岩中沉积胶结物3的水理性质，成岩类粘结6具有碳酸盐岩中成岩胶结物1的水理性质。

进一步，所述步骤2中在干燥状态下碳酸盐岩力学性能时效劣化离散元模型中，多边形块体5间的块体间粘结8的强度和刚度分别为：

式(1)中，下标dry表示干燥状态；jcoh为与单轴抗压强度相关的微观参数，jten为与抗拉强度相关的微观参数，jkn为与弹性模量相关的微观参数；η_jcoh、η_jten、η_jkn分别对应微观上单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量的软化系数；等号右边第一项为沉积类粘结7所提供的强度或刚度，第二项为成岩类粘结6所提供的强度或刚度；

在短期浸水作用下，沉积类粘结7所提供的强度和刚度消失，即等号右边第一项归零；

在长期浸水作用下，成岩类粘结6所对应的强度和刚度与时间的关系为：

其中，

式(2)中，a₁、a₂、a₃、b均为常数；α＝α(T，δ)为速率常数(cm/s)；A₀为离散元模型中接触总面积(mm²)；M_m为碳酸钙的摩尔质量(g/mol)；[H⁺]表示溶液中氢离子的浓度(mol/mm³)；M_{D_bond}表示成岩胶结物1的初始质量(g)，其值为：M_{D_bond}＝ξ_{D_bond}M_s，ξ_{D_bond}表示岩石中成岩胶结物1所占比例；M_s为岩石的总质量(g)；jcoh₀、jten₀、jkn₀为各参数初始值；

为单位质量的胶结物所提供的单轴抗压强度、抗拉强度和刚度。

进一步，所述步骤3中标定离散元模型的力学参数，需进行室内不同浸水时间下碳酸盐岩力学试验，对模型的强度和刚度进行标定；离散元模型参数标定采用以下步骤：

1)在中性水环境和酸性水环境中分别对碳酸盐岩试件进行不同时间的浸泡，对浸泡后试件进行压缩和劈裂试验，得到试件的单轴抗压强度、抗拉强度和刚度参数及其软化系数等；

2)采用与试件尺寸相同的数值模型，确定多边形块体5大小和块体间粘结本构模型(本实施例选用摩尔-库仑模型)，加载荷载P开始模拟；

3)通过试错等方法调整模型参数，以使得离散元模型的微观力学参数与室内试验的宏观力学参数相吻合，完成离散元模型参数标定。

进一步，所述步骤4开展不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能离散元模拟，体现在三个方面模拟应用：不同浸水环境条件(中性水环境和酸性水环境)下碳酸盐岩的力学性能演化模拟；单轴压缩、双轴压缩、劈裂、弯曲和剪切等不同加载方式下中性水环境和酸性水环境中碳酸盐岩的力学性能模拟；涉水边坡和地下工程等变形演化及稳定性模拟。

实施例1

试验得到的碳酸盐岩(灰岩)试件在干燥及饱水条件的力学性能参数如表1所示。通过室内试验得到不同浸泡(酸性条件PH值为4.5)时间后灰岩的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量见表2。

表1灰岩试件在干燥和饱水条件下的力学性能参数

σ<sub>c,dry</sub>(MPa)	σ<sub>c,wet</sub>(MPa)	σ<sub>t,dry</sub>(MPa)	σ<sub>t,wet</sub>(MPa)	E<sub>dry</sub>(MPa)	E<sub>dry</sub>(MPa)
						2.44±0.11	1.76±0.09	0.47±0.02	0.33±0.06	315±100	149±33

根据离散元模型，编写程序，进行计算。

本实施例中，参数取值如下：a₁＝3.657，a₂＝2.671，a₃＝0.611，b＝29.526，A₀＝4587(mm²)，

试验数值模拟结果与试验结果对比如表2所示。从表2可以看出，模拟所得的岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量均随反应时间增加而减小，且与试验结果十分吻合。如图10-12所示，室内试验数据与离散元模拟数据基本吻合，表明离散元模型及其参数取值正确。此外，该模型同时揭示了在酸性环境中，碳酸盐岩力学性能随时间的演化规律：岩石强度大体上随浸泡时间线性降低(如图10和图11所示)；而弹性模量基本上随浸泡时间的增加而以指数形式递减(如图12所示)。

表2不同浸泡时间下岩石力学性能参数模拟值与试验值的对比

σ_{c,wet_damage}、σ_{t wet_damage}、E_{wet_damage}表示长期浸泡损伤后的岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量；σ_c,wet、σ_{t wet}、E_wet表示在饱和条件下岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在于所述步骤2中在干燥状态下碳酸盐岩力学性能时效劣化离散元模型中，多边形块体间的块体间粘结的强度和刚度分别为：

式(1)中，下标dry表示干燥状态；jcoh为与单轴抗压强度相关的微观参数，jten为与抗拉强度相关的微观参数，jkn为与弹性模量相关的微观参数；η_jcoh、η_jten、η_jkn分别对应微观上单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量的软化系数；等号右边第一项为沉积类粘结所提供的强度或刚度，第二项为成岩类粘结所提供的强度或刚度；

在短期浸水作用下，沉积类粘结所提供的强度和刚度消失，等号右边第一项为零；

在长期浸水作用下，成岩类粘结所对应的强度和刚度与时间的关系为：

其中，

式(2)中，a₁、a₂、a₃、b均为常数；α＝α(T，δ)为速率常数；A₀为离散元模型中接触总面积；M_m为碳酸钙的摩尔质量；[H⁺]表示溶液中氢离子的浓度；ξ_{dis_c}为成岩胶结物的溶解百分量；M_{D_bond}表示成岩胶结物的初始质量，其值为：M_{D_bond}＝ξ_{D_bond}M_s，ξ_{D_bond}表示岩石中成岩胶结物所占比例；M_s为岩石的总质量；jcoh₀、jten₀、jkn₀为各参数初始值；

3.根据权利要求1所述的水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在所述步骤3中离散元模型参数标定采用以下步骤：

1)在中性水环境和酸性水环境中分别对碳酸盐岩试件进行不同时间的浸泡，对浸泡后试件进行压缩和劈裂试验，得到试件的单轴抗压强度、抗拉强度和刚度参数及其软化系数；

2)采用与试件尺寸相同的数值模型，确定多边形块体大小和块体间粘结本构模型，加载荷载开始模拟；

3)通过试错的方法调整模型参数，以使得离散元模型的微观力学参数与室内试验的宏观力学参数相吻合，完成离散元模型参数标定。

4.根据权利要求3所述的水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在于块体间粘结本构模型为摩尔-库仑模型。

5.根据权利要求1所述的水作用下碳酸盐岩力学性能时效劣化数值模拟方法，其特征在于所述步骤4开展不同浸水条件下碳酸盐岩力学性能离散元模拟，体现在：不同浸水环境条件下碳酸盐岩的力学性能演化模拟；不同加载方式下中性水环境和酸性水环境中碳酸盐岩的力学性能模拟；涉水边坡和地下工程的变形演化及稳定性模拟。