CN111504779A - 利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置 - Google Patents

利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置,具有5个特点:①以岩石常用指标参数(岩石脆性指数B)为拟合参数,物理意义明确(容易获取);②可以彻底摆脱岩石单轴拉伸试验数据极少造成的拟合瓶颈,实现“一岩一曲线”;③全过程无人为因素干扰;④拟合精度较高,可准确反映岩石软化曲线的3段式变化中的后2段(急速降低—平缓降低)这个最大特征;⑤既适用于天然岩石,也适用于类岩石材料。利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,包括如下步骤:步骤1.获取待测岩石的岩石脆性指数B;步骤2.将岩石脆性指数B代入基于脆性指数的软化函数
Figure DDA0002440177020000011
中,得到岩石软化曲线。

Description

利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置
技术领域
本发明属于岩石力学与岩石工程领域,具体涉及利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置。
背景技术
伴随岩石应力—应变曲线中峰后阶段应变软化现象(见图1(a))的发现,适用于岩石等脆性材料的黏结裂纹模型被提出。通过简化数学关系,黏结裂纹模型明确定义了裂纹产生+裂纹扩展两个准则,为有限单元法(FEM)、有限元—离散元混合方法(FDEM)等数值计算方法模拟岩石破裂过程提供了一种较为简单可靠的手段。为此,作为一种通用模型,其被广泛应用于隧道/巷道、采矿、水利等岩石工程的数值模拟分析预测中。
在黏结裂纹模型中,岩石软化曲线(应力—裂纹张开度关系)至关重要;作为数值模拟时的输入量,其等效定义了每个单元的本构关系。为此,合理确定黏结裂纹模型中的岩石软化曲线,是确保岩石工程数值模拟结果(分析预测)可靠的关键。由于数值模拟已经成为岩石工程不可或缺且愈发重要的分析预测手段,所以数值模拟结果(分析预测)的可靠与否,直接决定了岩石工程的决策是否科学,最终影响到岩石工程的安全性等。例如,在隧道工程中,数值模拟结果(分析预测)不准确,会导致采取的支护措施不合理:支护过弱,存在安全性风险;支护过强,存在浪费。为此,合理确定黏结裂纹模型中的岩石软化曲线,具有重大的工程应用价值(例如,用于川藏铁路隧道工程数值模拟的分析预测中)。
理论上讲,有两种方法可以确定岩石软化曲线:一是借助岩石细观力学模型;二是借助岩石单轴拉伸试验。截至目前,前者尚无应用,原因是简单可靠的岩石细观力学模型尚未被提出;后者由于具有可行性,已经被初步应用于黏结裂纹模型中。整体看,后者通过基于对极少数(全球仅若干组)在实验室内获取的岩石单轴拉伸试验数据的认识,首先提出近似合理、可行的软化函数,然后通过数学拟合确定软化函数的拟合参数,进而将其表征的函数曲线作为黏结裂纹模型中的岩石软化曲线。为此,合理确定软化函数+科学选取相应的拟合参数,尤为关键。
只有选取的拟合参数具有物理意义,或者建立起拟合参数与岩石常用指标参数(例如,岩石脆性指数)之间的联系,才能使确定的黏结裂纹模型中的岩石软化曲线更有理有据。更重要的是,这样可以彻底摆脱岩石单轴拉伸试验数据极少造成的拟合瓶颈(各类岩石都使用同一条归一化后的岩石软化曲线,不能“因岩而异”),实现“一岩一曲线”:岩石常用指标参数的数值不同,选取不同的岩石软化曲线。“因岩而异”后的“一岩一曲线”,自然会提高数值模拟结果(分析预测)的可靠性,最终影响到岩石工程施工方案的合理性。
遗憾的是,现有的软化函数,无论是线性软化函数(单线性、双线性、三线性、多线性)(见图2(a)),还是非线性软化函数(见图2(b)),其拟合参数都普遍不具有物理意义,且都没有建立起拟合参数与岩石常用指标参数(例如,岩石脆性指数)之间的联系。此外,现有的方法还存在其他缺点:全过程人为因素干扰多;拟合精度低,不能较好地反映岩石软化曲线的3段式变化(近平行—急速降低—平缓降低,见图1(b)),尤其是单线性软化函数,3段式变化中的后2段(急速降低—平缓降低)这个最大特征都不能反映。为此,有必要发明新的方法,以克服上述缺点。
作为岩石常用指标参数(可以通过压缩、拉伸、剪切等多种常规力学试验手段获取),岩石脆性指数已被发现与岩石软化曲线存在紧密关系:岩石脆性指数越大,岩石软化曲线下降越陡峭……为此,在岩石单轴拉伸试验数据极少(全球仅若干组)的背景/条件限制下,理想的黏结裂纹模型中的岩石软化曲线确定方法,应以岩石脆性指数为拟合参数,或者建立起岩石脆性指数与岩石软化曲线之间的联系。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种“因岩而异”、拟合参数物理意义明确、全过程无人为因素干扰、拟合精度较高的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置。
本发明为了实现上述目的,采用以下方案:
<方法>
本发明提供一种利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.获取待测岩石的岩石脆性指数B;
步骤2.将岩石脆性指数B代入下列软化函数中,得到岩石软化曲线;
Figure BDA0002440174000000041
式中,σ为应力、ft为抗拉强度、
Figure BDA0002440174000000042
为归一化应力,o为裂纹张开度、oc为临界裂纹张开度、
Figure BDA0002440174000000043
为归一化裂纹张开度,k为岩石脆性指数B的调整系数,exp为以自然常数e为底的指数函数。
优选地,本发明提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法还可以具有如下特征:在步骤1中,对待测岩石进行拉伸、压缩或剪切试验,进而获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数。
优选地,本发明提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,步骤1还可以包括如下子步骤:
步骤1-1.获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数;
步骤1-2.将步骤1-1中获取的四个参数代入岩石脆性指数计算公式
Figure BDA0002440174000000044
计算得到岩石脆性指数B。
优选地,本发明提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法还可以具有如下特征:在步骤2中,调整系数k=2。
<装置>
进一步,本发明还提供一种岩石软化曲线确定装置,其特征在于,包括:获取部,获取待测岩石的岩石脆性指数B;岩石软化曲线生成部,与获取部通信相连,将岩石脆性指数B代入软化函数
Figure BDA0002440174000000051
中,得到岩石软化曲线;式中,σ为应力、ft为抗拉强度、
Figure BDA0002440174000000052
为归一化应力,o为裂纹张开度、oc为临界裂纹张开度、
Figure BDA0002440174000000053
为归一化裂纹张开度,k为岩石脆性指数B的调整系数,exp为以自然常数e为底的指数函数;以及控制部,与获取部和岩石软化曲线生成部均通信相连,控制它们的运行。
优选地,本发明提供的岩石软化曲线确定装置,还可以具有如下特征:其中,获取部包括参数获取模块和计算模块;参数获取模块获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr;计算模块与参数获取模块通信相连,将获取的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr代入岩石脆性指数计算公式
Figure BDA0002440174000000054
中,计算得到岩石脆性指数B。
优选地,本发明提供的岩石软化曲线确定装置,还可以具有如下特征:测试部,对待测岩石进行拉伸、压缩或剪切试验,得到测试数据;其中,参数获取模块与测试部通信相连,基于测试数据,获取峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数值。
优选地,本发明提供的岩石软化曲线确定装置,还可以包括:输入显示部,与测试部、获取部、岩石软化曲线生成部、控制部均通信相连,用于让用户输入操作指令,并进行相应显示。
优选地,本发明提供的岩石软化曲线确定装置,还可以具有如下特征:输入显示部对获取部获取的岩石脆性指数B以表格形式进行显示,对岩石软化曲线生成部得到的岩石软化曲线进行显示。
发明的作用与效果
与现有技术相比,本发明提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,具有5个特点:①以岩石常用指标参数(岩石脆性指数B)为拟合参数,拟合参数物理意义明确(容易获取);②可以彻底摆脱岩石单轴拉伸试验数据极少造成的拟合瓶颈(各类岩石都使用同一条归一化后的岩石软化曲线,不能“因岩而异”),实现“一岩一曲线”;③全过程无人为因素干扰,保证了计算结果的客观性,既利于实现,也方便对比分析;④拟合精度较高,可准确反映岩石软化曲线的3段式变化中的后2段(急速降低—平缓降低)这个最大特征;⑤既适用于天然岩石,也适用于混凝土、陶瓷、石膏等类岩石材料。
进一步,本发明提供的岩石软化曲线确定装置,通过获取部获取待测岩石的岩石脆性指数B,岩石软化曲线生成部将岩石脆性指数B代入软化函数中就能够岩石软化曲线,整个过程无人为因素干扰,自动化程度高,有利于高效准确获取岩石软化曲线,以确保岩石工程施工方案的合理性,加快岩石工程进展。
附图说明
图1(a)为背景技术中涉及的岩石应力—应变曲线的示意图;
图1(b)为背景技术中涉及的归一化后的岩石软化曲线(应力—裂纹张开度关系)的示意图;
图2(a)为背景技术中涉及的线性软化函数的示意图;
图2(b)为背景技术中涉及的非线性软化函数的示意图;
图3为本发明实施例中涉及的岩石软化曲线确定方法的流程图;
图4为本发明实施例中得到的岩石软化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
实验背景:隧道工程,通常涉若干种力学特性差异的岩石;为了采取合理的支护措施,需要利用数值模拟对隧道变形破坏情况进行分析预测;一旦采用数值模拟这种不可或缺且愈发重要的分析预测手段,通常就会用到黏结裂纹模型中的岩石软化曲线(其可以用到涉及岩石工程的任何数值模拟分析预测中);遗憾的是,现有的方法,其拟合参数都普遍不具有物理意义,且都没有建立起拟合参数与岩石常用指标参数(例如,岩石脆性指数)之间的联系;为此,需要采用本实施例中所提供的方法来确定岩石软化曲线,以提高分析预测的可靠性,进而确保隧道工程施工方案的合理性。
具体地,如图3所示,本实施例所提供的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,包括如下步骤:
步骤1.对待测岩石进行压缩试验,获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数;将四个参数代入岩石脆性指数计算公式
Figure BDA0002440174000000081
中,计算得到如下表1中所示的岩石脆性指数B。
表1拟合参数(岩石脆性指数B)
岩石种类 凝灰岩 砂岩 花岗岩 调整系数k
岩石脆性指数B 1.1 1.5 2.0 2
步骤2.将表1中的岩石脆性指数B代入基于脆性指数的软化函数
Figure BDA0002440174000000082
中,得到岩石软化曲线(见图4)。式中,σ为应力、ft为抗拉强度、
Figure BDA0002440174000000083
为归一化应力,o为裂纹张开度、oc为临界裂纹张开度、
Figure BDA0002440174000000084
为归一化裂纹张开度,k为岩石脆性指数B的调整系数(本实施例中k=2),exp为以自然常数e为底的指数函数。
需要说明的是,岩石脆性指数B不同,得到的岩石软化曲线也不同(“因岩而异”)。为此,本发明可以彻底摆脱岩石单轴拉伸试验数据极少造成的拟合瓶颈(各类岩石都使用同一条归一化后的岩石软化曲线),实现“一岩一曲线”。将本发明应用于涉及若干种岩石的隧道工程变形破裂分析预测中,可明显提高预测分析的可靠性,进而确保隧道工程施工方案的合理性。
进一步,本实施例还涉及一种可自动化实施上述利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法的装置。该装置包括:测试部、获取部、岩石软化曲线生成部、输入显示部、控制部。
测试部用于对待测岩石进行拉伸、压缩或剪切试验,得到测试数据。
获取部与测试部通信相连,基于测试数据,获取峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数值。本实施例中,获取部包括参数获取模块和计算模块。参数获取模块获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr;计算模块与参数获取模块通信相连,将获取的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr代入岩石脆性指数计算公式
Figure BDA0002440174000000091
中,计算得到岩石脆性指数B。
输入显示部与测试部、获取部、岩石软化曲线生成部、控制部均通信相连,用于让用户输入操作指令,并进行相应显示。本实施例中,输入显示部能够对获取部获取的岩石脆性指数B以表格形式进行显示,对岩石软化曲线生成部得到的岩石软化曲线的公式和相应的图形进行显示。
控制部与获取部、岩石软化曲线生成部、输入显示部均通信相连,控制它们的运行。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容,而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换,都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.获取待测岩石的岩石脆性指数B;
步骤2.将岩石脆性指数B代入下列软化函数中,得到岩石软化曲线;
Figure FDA0002440173990000011
式中,σ为应力、ft为抗拉强度、
Figure FDA0002440173990000012
为归一化应力,o为裂纹张开度、oc为临界裂纹张开度、
Figure FDA0002440173990000013
为归一化裂纹张开度,k为岩石脆性指数B的调整系数,exp为以自然常数e为底的指数函数。
2.根据权利要求1所述的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,其特征在于:
其中,在步骤1中,对待测岩石进行拉伸、压缩或剪切试验,进而获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数。
3.根据权利要求1所述的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,其特征在于:
其中,步骤1包括如下子步骤:
步骤1-1.获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数;
步骤1-2.将步骤1-1中的四个参数代入岩石脆性指数计算公式
Figure FDA0002440173990000021
中,计算得到岩石脆性指数B。
4.根据权利要求3所述的利用脆性指数确定岩石软化曲线的方法,其特征在于:
其中,在步骤2中,调整系数k=2。
5.一种岩石软化曲线确定装置,其特征在于,包括:
获取部,获取待测岩石的岩石脆性指数B;
岩石软化曲线生成部,与所述获取通信相连,将岩石脆性指数B代入软化函数
Figure FDA0002440173990000022
中,得到岩石软化曲线;式中,σ为应力、ft为抗拉强度、
Figure FDA0002440173990000031
为归一化应力,o为裂纹张开度、oc为临界裂纹张开度、
Figure FDA0002440173990000032
为归一化裂纹张开度,k为岩石脆性指数B的调整系数,exp为以自然常数e为底的指数函数;以及
控制部,与所述获取部和所述岩石软化曲线生成部均通信相连,控制它们的运行。
6.根据权利要求5所述的岩石软化曲线确定装置,其特征在于:
其中,所述获取部包括参数获取模块和计算模块;
所述参数获取模块获取待测岩石的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr
所述计算模块与所述参数获取模块通信相连,将获取的峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr代入岩石脆性指数计算公式
Figure FDA0002440173990000033
中,计算得到岩石脆性指数B。
7.根据权利要求5所述的岩石软化曲线确定装置,其特征在于,还包括:
测试部,对待测岩石进行拉伸、压缩或剪切试验,得到测试数据;
其中,所述参数获取模块与所述测试部通信相连,基于所述测试数据,获取峰值应力σp、峰值应变εp、残余应力σr、残余应变εr四个参数值。
8.根据权利要求7所述的岩石软化曲线确定装置,其特征在于,还包括:
输入显示部,与所述测试部、所述获取部、所述岩石软化曲线生成部、所述控制部均通信相连,用于让用户输入操作指令,并进行相应显示。
9.根据权利要求8所述的岩石软化曲线确定装置,其特征在于:
其中,所述输入显示部对所述获取部获取的岩石脆性指数B以表格形式进行显示,对所述岩石软化曲线生成部得到的岩石软化曲线进行显示。
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