CN112525684A - 一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法。所述方法包括：基于岩石纳米压痕实验结果，得到原始岩样的微尺度力学参数，作为数值模拟的输入参数；开展岩心的微CT扫描测试，获取岩石微观孔隙结构图像，重建岩样RVE的三维网格模型；基于摩尔库伦准则开展岩样RVE模型的三轴压缩数值模拟研究；根据三轴压缩数值模拟结果，得到不同围压下的最大抗压强度，从而绘制轴向应力σ1与围压σ3最佳关系曲线，然后基于最小二乘法原理，求出岩石基质的粘聚力、内摩擦角。

Description

一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种基于数字岩心技术的岩石力学参数的获取方法。
背景技术
岩石作为一种由多种矿物、孔隙、裂隙及胶结物组成的非均质多孔介质，其宏观力学行为是由内在的微观结构与矿物组成决定的，尤其受岩石微观变形、微裂缝萌生—扩展—贯通演化过程的影响。
随着成像技术的发展，通过高分辨率的SEM、CT技术可以获得岩石的微观图像，通过对图像进行滤波、分割等一系列处理获得岩石数字图像，结合模型重建算法建立数字岩心模型，进而开展数值模拟已成为研究该领域的一个重要突破口。但目前数字岩心研究多局限于渗流模拟及岩石声电物性参数计算。现有岩石力学实验及模拟局限于宏观尺度，针对这一不足，本发明公开一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法，通过综合运用岩石纳米压痕实验及数字岩心模拟技术，建立了微尺度数字岩心模拟与宏观力学参数间的联系。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
步骤S1：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岩石纳米压痕实验，获取仪器压头压入样品过程中的载荷—位移曲线，进而得到原始岩样的微尺度力学参数。
步骤S2：对取自室内纳米压痕实验原始岩样的岩心开展微观CT扫描，获得岩石微观结构图像，进行图像RVE分析。
步骤S3：基于岩石RVE图像中像素体与计算网格一一对应的关系，利用MATLAB、ICEM等软件重建岩石RVE模型。
步骤S4：采用ANSYS软件模拟岩石RVE重建模型三轴压缩过程，以岩石纳米压痕实验得到的原始岩样的微尺度力学参数作为数值模拟输入参数，采用摩尔库伦准则对重建的RVE模型开展常规三轴压缩数值模拟研究。假设岩石遵循摩尔—库伦破坏准则，压头和测试样品为刚—柔接触方式，计算过程考虑几何大变形。
步骤S5：根据三轴压缩数值模拟结果，得到岩石RVE重建模型在不同围压下的最大抗压强度，从而绘制轴向应力与围压最佳关系曲线，结合最小二乘法和摩尔库伦准则，求出岩石基质的粘聚力和内摩擦角。
与传统技术相比，本发明的有益效果在于：建立了微尺度数字岩心模拟与宏观力学参数间的联系，提供了基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法。
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是本发明实施例所述一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法流程图。
图2是本发明实施例中岩石微CT图像滤波前后的图像对比。
图3是本发明实施例将岩石微CT图像两相分割后的图像及其二值化的过程。
图4是本发明实施例提供的岩样三轴压缩数值模拟加载流程简图。
图5是本发明实施例提供的某岩样在不同围压下的应力应变对比曲线。
图6是本发明实施例提供的三轴压缩试验数值模拟在不同围压下的岩石峰值强度对比图。
图7是本发明实施例提供的三轴压缩试验数值模拟所得轴向应力σ1与围压σ3最佳关系曲线。
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是本申请一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法实施例的流程图，包括以下步骤：
S1：制备用于岩石纳米压痕实验的岩样，原始岩样规格为厚度为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岩石纳米压痕实验，获取仪器压头压入样品过程中的载荷—位移曲线，进而得到原始岩样的微尺度力学参数，作为后面数值模拟的输入参数。
S2：对取自室内纳米压痕实验原始岩样的岩心开展微观CT扫描，获得岩石微观结构图像。采用中值滤波法对CT扫描获得的岩样图像进行降噪处理。图2为本发明实施例中岩石微观结构图像滤波前后的图像对比。将岩石微观图像二值化后划分为岩石骨架与孔隙两相，利用MATLAB软件编程将分割的图像转化为对应的三维数组矩阵，用“0”与“1”分别表示骨架与孔隙像素的灰度值。图3为本发明实施例将岩石微观图像两相分割后的图像及其二值化的过程。
从原始的岩石样本图像中心提取一个100～400像素的立方体，然后逐渐扩展到周围区域。利用岩石骨架的微观结构参数和力学参数输入值与输出值之比确定模型RVE大小，随着岩样尺寸的变化，力学参数逐渐趋于稳定时，此时的尺寸就是RVE大小。实施例RVE分析结果显示当模型长度在100-250像素之间时，各参数波动较大，当图像尺寸超过300像素时，各参数趋于稳定，因此，实施例的最佳RVE大小为300个像素。
S3：将数据文件导入MATLAB以矩阵的形式存储，查找“1”(孔隙)或“0”(骨架)在矩阵中的位置，得到单元体所包含的节点数据，分离后分别得到岩石的骨架与孔隙模型，建立岩样RVE的三维计算网格模型。
S4：采用ANSYS软件模拟岩石RVE重建模型三轴压缩过程，以岩石纳米压痕实验得到的原始岩样微尺度力学参数作为数值模拟输入参数，采用摩尔库伦准则对重建的RVE模型开展三轴压缩数值模拟研究。模型沿z轴正方向上的表面施加刚体力，负方向上的表面施加可压缩支撑，z轴方向和y轴方向的两组面也同样设置。假设岩石遵循摩尔—库伦破坏准则，压头和测试样品为刚—柔接触方式，计算过程考虑几何大变形；初始模型三组对面施加相同应力(σ1＝σ2＝σ3)，然后保持σ2和σ3不变，逐步增大σ1直至模型发生破坏。图4为本发明实施例提供的三轴压缩试验数值模拟加载流程简图。
S5：通过更改围压多次进行三轴压缩数值模拟试验，得到不同围压下的最大抗压强度。图5为本发明实施例提供的一岩样在不同围压下的应力应变对比曲线。图6为本发明实施例提供的三轴压缩试验数值模拟在不同围压下的岩石峰值强度对比图。将所有岩样进行三轴压缩数值模拟试验，统计不同围压下的岩样最大抗压强度后，绘制了轴向应力与围压最佳关系曲线，结合最小二乘法和摩尔库伦准则，求出岩石基质的粘聚力和内摩擦角。
假设三轴压缩试验条件下岩石发生变形破坏符合摩尔库伦准则，则可以用如下公式进行表示：
Figure BDA0002789133130000051
上式中，σ和τ分别为剪切破坏面上的正应力、剪应力，σ1、σ3分别为三轴压缩试验最大轴向应力与围压，c、
Figure BDA0002789133130000052
为岩石的粘聚力与内摩擦角。
基于最小二乘法原理，将σ3作为自变量，σ1作为因变量，在σ1-σ3坐标中，确定轴向应力σ1与围压σ3的回归方程，即
σ1＝kσ3+b (2)
式中，k、b分别为轴向应力与围压拟合直线的斜率与截距。
再根据下式求出粘聚力与内摩擦角：
Figure BDA0002789133130000053
根据三轴压缩数值模拟结果，分别计算了围压为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa对应的最大抗压强度，绘制了轴向应力σ1与围压σ3最佳关系曲线，如图7所示为本发明实施例一岩样所得的轴向应力与围压最佳关系曲线。进而计算出模型的粘聚力与内摩擦角，如表1所示为本方法计算得到的岩石基质粘聚力、内摩擦角。
表1.岩石粘聚力、内摩擦角计算结果
Figure BDA0002789133130000061
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 (4)

1.一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法，其特征在于，该方法包括：
基于岩石纳米压痕实验结果，得到原始岩样的微尺度力学参数；
开展岩样的微CT扫描测试，获取岩石微观孔隙结构图像，在图像RVE分析的基础上，建立岩样RVE的三维计算网格模型；
基于摩尔库伦准则开展岩样RVE模型的三轴压缩数值模拟研究；
根据三轴压缩数值模拟结果，得到不同围压下的最大抗压强度，从而绘制轴向应力与围压最佳关系曲线，然后基于最小二乘法原理求出岩石基质的粘聚力、内摩擦角。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法，其特征在于，用于微观CT扫描的岩心样本取自室内岩石纳米压痕实验所用的岩样。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法，其特征在于，采用ANSYS软件模拟岩石RVE重建模型三轴压缩过程，以岩石纳米压痕实验得到的原始岩样的微尺度力学参数作为数值模拟输入参数，采用摩尔库伦准则对重建的RVE模型开展常规三轴压缩数值模拟研究；假设岩石遵循摩尔—库伦破坏准则，压头和测试样品为刚—柔接触方式，计算过程考虑几何大变形。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字岩心技术的岩石粘聚力—内摩擦角计算方法，其特征在于，采用ANSYS软件模拟岩石三轴压缩过程中，初始模型三组对面施加相同应力(σ1＝σ2＝σ3)，然后保持σ2和σ3不变，逐步增大σ1直至模型发生破坏；通过统计不同围压下岩样的最大抗压强度，结合最小二乘法和摩尔库伦准则，求出岩石基质的粘聚力和内摩擦角。
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