CN117252015A - 一种岩石全过程蠕变模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石全过程蠕变模拟方法，该方法包括：确定岩石物理力学性质以及边界条件；基于所确定的岩石物理力学性质建立岩石的蠕变模型，建立所述岩石的蠕变模型包括：建立颗粒模型和建立接触模型，所述接触模型由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型按照预设比例组合得到；基于所建立的岩石蠕变模型以及所述边界条件进行岩石分级加载全过程模拟。本发明可以基于颗粒流分析实现岩石瞬时蠕变、减速蠕变、等速蠕变以及加速蠕变等各个阶段的模拟，克服了现有蠕变模型的不足，实现蠕变全过程模拟，捕捉裂纹发展，并能表征蠕变过程中的最终破坏模式。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种岩石全过程蠕变模拟方法。
背景技术
岩体的蠕变特性对矿山开采、隧道施工和水利工程的安全有着很大影响。如今，深层矿藏的开发已成为世界各地的常态，几乎所有高应力矿井巷道都出现较大的变形现象，且随着时间的增加蠕变效应愈发明显；蠕变引起的隧道挤压现象同样在深度较大的软弱岩体和地质构造运动的区域十分常见；部分引水隧道在水电站运行过程中受到高地应力和高渗透压的综合作用，周围岩体表现出明显的蠕变特征。因此，对岩体的蠕变特性的准确评价是保证工程安全的重要前提。目前，有关岩体蠕变的现场试验主要集中于岩体的长期监测或者原位试验，但这些试验大多聚焦于减速蠕变阶段，对于受时间因素影响较大的岩石加速蠕变研究则主要集中在室内试验。然而，室内试验的试样尺度常受试验装置所限，一些特别复杂的加载条件也很难进行。
目前，大多数蠕变模型采用基本元件的组合，即将弹性元件、塑性元件以及粘性元件进行串并联组合，例如Burger’s模型。然而，这些蠕变模型大多针对某一类岩石，推广到其他类岩石难以使用，同时仅采用基本元件串并联的组合无法模拟考虑加速蠕变阶段。尽管近年来对蠕变模型进行改进，例如引入控制元件、损伤理论、应力腐蚀理论等，能对岩石的加速蠕变阶段进行模拟，但鲜少考虑岩石全过程模拟以及加载过程中裂缝生成。
基于此，有必要开发一种新的蠕变模型对蠕变加载的全过程进行模拟，科学高效地评估岩石的蠕变特征。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种岩石全过程蠕变模拟方法，克服现有蠕变模型的不足，实现蠕变全过程模拟。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种岩石全过程蠕变模拟方法，包括以下步骤：
确定岩石物理力学性质以及边界条件；
基于所确定的岩石物理力学性质建立岩石的蠕变模型，建立所述岩石的蠕变模型包括：建立颗粒模型和建立接触模型，所述接触模型由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型按照预设比例组合得到；
基于所建立的岩石蠕变模型以及所述边界条件进行岩石分级加载全过程模拟。
其中，所述广义开尔文接触模型所占组合的比例小于等于25％。
其中，建立所述颗粒模型所需的细观参数包括：颗粒尺寸、颗粒密度、孔隙度、阻尼系数。
其中，所述颗粒尺寸由L/Rmin和Rmax/Rmin确定，其中L表示岩石的几何尺寸，Rmax、Rmin分别表示颗粒最大尺寸和颗粒最小尺寸，L/Rmin>120，Rmax/Rmin取值范围为1～5。
其中，建立所述接触模型包括确定所述接触模型的细观参数，所述接触模型的细观参数包括：基本细观参数和调整参数。
其中，广义开尔文接触模型的基本细观参数由岩石蠕变参数确定。
其中，平行黏结接触模型的基本细观参数由岩石抗压强度确定。
其中，所述调整参数由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型的比例确定。
其中，所述岩石物理力学性质包括：岩石的几何尺寸以及宏观力学性质，所述宏观力学性质包括但不限于：岩石抗压强度、岩石长期强度、岩石蠕变参数、孔隙率、颗粒密度、内摩擦角。
本发明的优点在于：
本发明实施例提供了一种岩石全过程蠕变模拟的方法，可以基于颗粒流分析实现岩石瞬时蠕变、减速蠕变、等速蠕变以及加速蠕变等各个阶段的模拟，克服了现有蠕变模型的不足，实现蠕变全过程模拟，捕捉裂纹发展，并能表征蠕变过程中的最终破坏模式。
附图说明
图1为本发明实施例所述岩石全过程蠕变模拟方法流程图；
图2为本发明实施例蠕变模型示意图；
图3为本发明实施例岩石抗压强度试验应力-应变试验曲线图；
图4为本发明实施例岩石分级蠕变试验结果；
图5为本发明实施例岩石分级蠕变试验结果及模拟结果对比图；
图6为本发明实施例裂缝最终破坏形态模拟结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明并不仅限于此。根据本领域普通技术人员的知识、理解和判断，在不脱离本发明专利技术思想的前提下，对本发明计算模拟方法、步骤以及条件的修改和替换，均属于本发明的保护范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
本发明实施例提供一种岩石全过程蠕变模拟方法，具体的讲是基于颗粒流分析岩石全过程蠕变模拟方法。所述的颗粒流离散元分析是以细观力学为基础，颗粒为基本单元，此方法中岩石的材料特征和岩体不连续特征都可以由接触模型进行表征，并能进行复杂工况的模拟。本方法可以克服现有蠕变模型的不足，实现蠕变全过程模拟，捕捉裂纹发展，并能表征蠕变过程中的最终破坏模式。
如图1中所示，为本发明实施例所述岩石全过程蠕变模拟方法流程图，所述方法主要包括以下步骤：
S1、确定岩石物理力学性质以及边界条件。
所述岩石可以取自于相关工程区域的岩体。物理力学性质主要为岩石的几何尺寸以及宏观力学性质。
其中，所述岩石的几何尺寸，可以根据所取岩石的直径(或者边长)及高度确定。
所述宏观力学性质主要包括：岩石抗压强度、岩石长期强度、岩石蠕变参数、孔隙率、颗粒密度、内摩擦角等。这些参数可利用现有技术的方法获得，例如通过单轴压缩试验、蠕变试验、汞压法、三轴压缩试验、位重法等方法确定。
所述边界条件主要指岩体所承受的环境应力，即外部荷载及位移限制，其可利用应力接触法、应力恢复法或水力压裂法等方法获得或根据附近相似岩体环境应力来确定。
S2、基于所确定的岩石物理力学性质建立岩石的蠕变模型；
本发明实施例所述岩石的蠕变模型包括：颗粒模型和接触模型；也就是所述岩石的蠕变模型的建立主要包括：颗粒模型的建立和接触模型的建立。
其中，颗粒模型的建立所需的细观参数包括：颗粒尺寸、颗粒密度、孔隙度、阻尼系数。颗粒尺寸主要通过L/Rmin和Rmax/Rmin控制，其中L表示岩石试样长度(由岩石的几何尺寸确定)，Rmax、Rmin分别表示颗粒最大尺寸和颗粒最小尺寸，建议L/Rmin>120，Rmax/Rmin建议取值1～5；阻尼系数建议取值0.3；颗粒密度、孔隙度可利用已有技术获得，本发明对此不做限制。
其中，接触模型由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型按照预设比例组合得到，广义开尔文模型的比例一般不超过25％。接触模型的细观参数的取值主要包括两个步骤：基本细观参数的确定和调整参数的确定。具体的，平行黏结模型的基本细观参数可以由岩石抗压强度确定，广义开尔文模型的细观参数可以由岩石蠕变参数确定。调整参数主要取决于两种接触模型的比例，并依照岩石长期强度和岩石蠕变参数确定。
进一步，调整参数主要包括：系数A、系数B以及rgap/Rmin，系数A主要调整平行黏结接触模型的细观参数；系数B主要调整广义开尔文接触模型的细观参数；rgap/Rmin主要调整颗粒问黏结部分容许的最大间隙，其中rgap表示平行黏结接触模型的最大容许间距，若颗粒和颗粒的间距大于最大容许间距，则接触模型失效，Rmin表示颗粒最小间距。调整参数可以按照以下示例进行确定：首先，设定两种接触模型的比例，如广义开尔文接触模型比例为10％；其次，根据岩石蠕变试验得到的岩石长期强度和岩石蠕变曲线确定系数A、系数B以及，rgap/Rmin的取值；最后，以岩石蠕变曲线加速蠕变阶段前的轴向应变和加速蠕变阶段轴向应变结果同模拟结果的拟合度作为评价调整参数确定是否合理。
本发明实施例可以采用PFC(ParticleFlowCode，颗粒流程序)实现颗粒流数值模拟分析，但已有PFC同种接触不能同时定义两个不同的接触模型，因此不同接触模型的组合只能利用接触颗粒和颗粒之间进行串联或者并联组合。本发明中，岩石的蠕变模型示意图如图2所示，左侧图表示岩石模拟的加载示意图(本图以单轴加载为例)；中间图可以表示蠕变模型的基础单元分析示例，即蠕变模型基于平行黏结模型和广义开尔文模型的组合，沿轴向方向相当于将颗粒问的接触模型串联，沿径向方向可视作颗粒问的接触模型并联；右侧图则为蠕变模型的本构图。其中，平行黏结模型提供岩石的长期强度以及裂缝发展的模拟；广义开尔文模型主要可以反映岩石的瞬时蠕变以及减速蠕变，图2中右侧为接触模型图。
其中，平行黏结模型包括线性部分和黏结部分，其失效条件包括：①线性部分：颗粒和颗粒问产生间隙；②黏结部分：颗粒和颗粒问的拉应力和剪应力超过设定的黏结材料强度或者颗粒和颗粒问的间隙超过设定值。可以理解的是，若颗粒和颗粒问的拉应力和剪应力超过设定的黏结材料强度，则代表黏结材料发生破坏，裂缝随即生成。上述任意条件满足即为失效。
其中，广义开尔文模型的失效条件包括：①颗粒和颗粒问产生间隙；②颗粒间产生滑移，上述任意条件满足即为失效。
在低应力条件下，颗粒和颗粒间拉应力和剪应力均未超过平行黏结模型容许的应力阈值，因此岩石试样位移趋于稳定，试样的变形主要遵循瞬时蠕变和减速蠕变特征。随着应力的增加，部分颗粒和颗粒间接触因其应力超过容许的最大应力而失效，剩余接触将承受更大的荷载，导致岩石试样产生更大的位移以及颗粒间接触进一步失效，使得岩石试样的变形可以展现出等速蠕变或加速蠕变的特征。
S3、基于所建立的岩石的蠕变模型及边界条件进行岩石分级加载全过程模拟。
其中，岩石分级加载围压的选择以及加载分级依照实际受力情况确定，也就是依据所述边界条件确定。具体过程如下：
依据步骤S2中所确定的具体的细观参数生成颗粒，并施加接触模型。依据步骤S1中所确定的边界条件进行分级蠕变试验模拟，其中每一级的选择可以根据相关规范选择，如果相关规范未说明，每级加载荷载可取5MPa或者极限荷载的1/10。所述的边界条件主要包括岩石承受的外部荷载以及位移限制。
同时，当平行黏结模型的黏结部分，即颗粒和颗粒间的拉应力和剪应力超过设定的黏结材料强度，PFC软件自带的离散断裂网络模块则会在该颗粒间绘制裂缝，以此跟踪蠕变加载试验过程中裂缝的发展，由此也可以得到岩石的最终破坏模式。
本发明的优点至少包括：
本发明提供的一种岩石全过程蠕变模拟的方法，基于颗粒流分析实现岩石瞬时蠕变、减速蠕变、等速蠕变以及加速蠕变等各个阶段的模拟，其中瞬时蠕变和减速蠕变可以通过广义开尔文接触模型实现，平行黏结接触模型控制岩石的长期强度，若超过岩石的长期强度，岩石将产生等速蠕变和加速蠕变。可见，本发明实施例的蠕变模型可以实现岩石全过程的蠕变模拟。
本发明可以实现对复杂加载工况进行模拟，且蠕变模型的细观参数选择由岩石基本宏观力学性质确定，参数物理意义清楚，模拟效果好，且更具可靠性。
本发明可以跟踪蠕变试验加载过程中裂缝的发展，以及表征蠕变过程中的最终破坏模式。裂缝可以基于PFC中平行黏结模型自带的离散裂隙网络(DFN)模块实现。
为方便理解本发明技术方案，下面提供一种具体实施例，本实施例选择一处岩体进行模拟分析，在岩石物理力学性质相同的条件下通过改变外界环境条件开展不同模拟试验，其中，场景一的边界条件为无侧限的单轴蠕变试验，场景二的边界条件为无侧限双轴蠕变试验，两种场景差别主要在于场景一侧向应力为0，场景二有侧向应力，取值为0.3MPa。具体操作过程如下：
1)基于岩石试样的几何尺寸、颗粒密度及孔隙度等确定颗粒模型的细观参数；该颗粒模型的细观参数主要包括：L(试样长度)、W(试样宽度)、n(孔隙率)、(内摩擦角)、ρ(颗粒密度)、μ(颗粒问摩擦系数)、Rmax/Rmin(颗粒尺寸比)、L/Rmin(粒径比)。部分参数建议取值范围如为：μ取值范围为30～45°，Rmmax/Rmin取值范围为1～5，L/Rmin＞120。
两种试验场景各参数取值为：L取100mm，W取50mm，n＝0.01，取45°，ρ取3000kg/m3，μ取0.5，Rmax/Rmin取1.33，L/Rmin取166。
2)基于岩石抗压强度试验，得到如图3所示的应力-应变试验曲线，基于应力-应变曲线确定颗粒和颗粒问的平行黏结接触模型的细观参数，其中，平行黏结接触模型需要确定的细观参数主要包括：E*(线性接触有效模量)、(平行黏结有效模量)、kn/ks(刚度比)、(黏结刚度比)、pbten(法向黏结强度)、pbcoh(切向黏结强度)。广义开尔文接触模型需要确定的细观参数主要包括：KH(虎克体弹性模量)、Kk(开尔文体弹性模量)、ηk(粘性系数)。
对于场景一各细观参数值为：E*取6.518GPa，取6.615GPa，kn/ks取1.2，/>取1.2，pbten取28.49MPa，pbcoh取23.74MPa，KH取12.2GPa，Kk取179.1GPa，ηk取44.01GPa·h。
对于场景二：E*取2.845GPa，取4.373GPa，kn/ks取1.0，/>取1.2，pbten取27.3MPa，pbcoh取22.8MPa，KH取7.46GPa，Kk取84.783GPa，ηk取21.9GPa·h。
使用上述细观参数可以很好的模拟岩石抗压强度试验，验证颗粒问平行黏结模型细观参数的取值是合理的。
3)如图4所示为两种试验场景下的分级加载蠕变曲线试验结果，利用该试验结果可以确定颗粒和颗粒问的广义开尔文参数。图5所示为两种试验场景试验结果与模拟结果的对比。
4)设定平行黏结模型和广义开尔文模型的比例；其中，广义开尔文模型占比不超过总接触模型的25％。
5)确定调整参数的取值；调整系数主要包括三个：系数A，系数B，rgap/Rmin，其中：系数A主要调整平行黏结接触模型的细观参数；系数B主要调整广义开尔文接触模型的细观参数；rgap/Rmin主要调整颗粒问黏结部分容许的最大间隙。
6)按照岩石实际受力情况确定围压以及加载制度。
试样最终破坏结果的模拟结果如图6所示，由该图可见：两种场景下的岩石试样，均因超过斜截面抗拉强度而产生斜截面破坏，表现出典型的剪切破坏特征。上述最终破坏结果的模拟同Yan和Wang等人完成相似试验的最终破坏结果相符，证明了模拟的合理性。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种岩石全过程蠕变模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定岩石物理力学性质以及边界条件；
基于所确定的岩石物理力学性质建立岩石的蠕变模型，建立所述岩石的蠕变模型包括：建立颗粒模型和建立接触模型，所述接触模型由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型按照预设比例组合得到；
基于所建立的岩石蠕变模型以及所述边界条件进行岩石分级加载全过程模拟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述广义开尔文接触模型所占组合的比例小于等于25％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述颗粒模型所需的细观参数包括：颗粒尺寸、颗粒密度、孔隙度、阻尼系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述颗粒尺寸由L/Rmin和Rmax/Rmin确定，其中L表示岩石的几何尺寸，Rmax、Rmin分别表示颗粒最大尺寸和颗粒最小尺寸，L/Rmin>120，Rmax/Rmin取值范围为1～5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述接触模型包括确定所述接触模型的细观参数，所述接触模型的细观参数包括：基本细观参数和调整参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，广义开尔文接触模型的基本细观参数由岩石蠕变参数确定。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，平行黏结接触模型的基本细观参数由岩石抗压强度确定。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调整参数由平行黏结接触模型和广义开尔文接触模型的比例确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩石物理力学性质包括：岩石的几何尺寸以及宏观力学性质，所述宏观力学性质包括但不限于：岩石抗压强度、岩石长期强度、岩石蠕变参数、孔隙率、颗粒密度、内摩擦角。
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Also Published As
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