一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法
【專利摘要】一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，屬于一種巖石力學(xué)測(cè)定方法。首先對(duì)需測(cè)試的工程巖體進(jìn)行取樣，制成完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣；將制成的試樣置于伺服試驗(yàn)機(jī)密閉壓力缸內(nèi)，先使試驗(yàn)機(jī)壓頭與巖樣上、下端部緊密接觸；按位移加載對(duì)試樣施加軸向壓力，使試樣加載至破裂，得到試樣壓縮過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線、裂紋擴(kuò)展過(guò)程和最終破裂模式；采用二維顆粒流程序（PFC2D）建立完整試樣數(shù)值模型，通過(guò)不斷調(diào)試細(xì)觀參數(shù)，獲得一組能夠反映完整巖樣試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)；在上述細(xì)觀參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立斷續(xù)裂隙數(shù)值模型，進(jìn)行壓縮過(guò)程模擬，模擬結(jié)果與斷續(xù)裂隙巖樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。
【專利說(shuō)明】一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)測(cè)定方法，具體為一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]在巖石力學(xué)領(lǐng)域，裂隙巖石是礦山、水利、石油、核廢料存儲(chǔ)等各種巖石工程中經(jīng)常遇到的一種復(fù)雜介質(zhì)。大量工程實(shí)踐表明，巖石工程的失穩(wěn)破壞，通常是由于內(nèi)部裂隙的張開(kāi)、起裂、擴(kuò)展以及貫通而產(chǎn)生新的剪切滑動(dòng)面所引起的。研究裂隙分布對(duì)巖石強(qiáng)度變形等力學(xué)參數(shù)的影響和裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通模式具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
[0003]采用試驗(yàn)手段，包括模型試驗(yàn)和物理試驗(yàn)雖然能較為直觀的獲取裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通過(guò)程，但存在操作復(fù)雜、費(fèi)用高和周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬可重復(fù)性強(qiáng)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)值模擬分析越來(lái)越受到重視。
[0004]二維顆粒流程序(PFC2D)是ITASCA公司基于離散單元方法來(lái)模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用的大型數(shù)值程序；二維顆粒流程序?yàn)楝F(xiàn)有的一種數(shù)值計(jì)算軟件。在巖石力學(xué)領(lǐng)域，PFC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于模擬和解決不同尺度下的巖石力學(xué)問(wèn)題。PFC能夠從細(xì)觀層面再現(xiàn)巖石復(fù)雜的力學(xué)行為，并有助于揭示巖石的變形破壞機(jī)理。因此，PFC數(shù)值模擬提供了從細(xì)觀層面研究斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提出一種確定方法快速、簡(jiǎn)便、易行、效果良好的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，包括如下步驟:
[0007]a.首先對(duì)需測(cè)試的工程巖體進(jìn)行取樣，將取樣得到的巖體制成完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣；
[0008]b.將制成的完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣置于伺服試驗(yàn)機(jī)的三軸密閉壓力缸內(nèi)，先使試驗(yàn)機(jī)壓頭與巖樣上、下端部緊密接觸；
[0009]c.按位移加載速率對(duì)完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣施加軸向壓力，使試樣加載至破裂，得到完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣壓縮過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線和破裂巖石試樣；
[0010]d.采用二維顆粒流程序(PFC2D)建立完整試樣數(shù)值模型，完整數(shù)值模型尺寸與完整巖樣相同；通過(guò)不斷調(diào)整二維顆粒流程序模擬位移加載速率及二維顆粒流程序中描述顆粒和黏結(jié)幾何和力學(xué)的細(xì)觀參數(shù)，細(xì)觀參數(shù)包括:顆粒密度、顆粒最小半徑、顆粒最大半徑與最小半徑比值、顆粒接觸模量、顆粒法向剛度與切向剛度比值、顆粒摩擦系數(shù)、黏結(jié)半徑乘子、黏結(jié)模量、黏結(jié)法向剛度與切向剛度比值、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得一組能夠反映完整巖樣試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)；
[0011]e.在上述細(xì)觀參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立斷續(xù)裂隙數(shù)值模型，使斷續(xù)裂隙數(shù)值模型尺寸與斷續(xù)裂隙巖樣相同；再進(jìn)行壓縮過(guò)程模擬，模擬結(jié)果與斷續(xù)裂隙巖樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。
[0012]所述的完整與斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣的高度與寬度之比為2:1。
[0013]所述的位移加載速率為0.001?0.002mm/so
[0014]所述的二維顆粒流程序模擬位移加載速率為0.05?0.2m/s。
[0015]所述的細(xì)觀參數(shù)調(diào)整過(guò)程為:首先賦予完整數(shù)值模型一組細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算；將模擬計(jì)算得到的宏觀參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；通過(guò)不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)達(dá)到參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可認(rèn)為該細(xì)觀參數(shù)合理。
[0016]所述的參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在如下方面:
[0017]a.數(shù)值模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)曲線定性相似；
[0018]b.數(shù)值模擬獲得的峰值強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同；
[0019]c.數(shù)值模擬獲得的裂紋擴(kuò)展順序與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同；
[0020]d.數(shù)值模擬獲得的最終破壞模式與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同。
[0021]有益效果:本發(fā)明適用于模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，通過(guò)建立完整巖石試樣單軸或三軸壓縮模型，采用基于完整試樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)試的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行斷續(xù)裂隙巖石試樣單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，模擬結(jié)果與斷續(xù)裂隙巖石室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比能夠進(jìn)一步驗(yàn)證該細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。裂隙巖石室內(nèi)試驗(yàn)與模擬結(jié)果有助于加深對(duì)斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)。該方法快速、簡(jiǎn)便、易行，效果良好，在本【技術(shù)領(lǐng)域】?jī)?nèi)具有廣泛的實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1 (a)為完整長(zhǎng)方體砂巖試樣示意圖；
[0023]圖1 (b)為PFC2D構(gòu)建的完整矩形數(shù)值模型示意圖。
[0024]圖2為完整砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)與完整數(shù)值模型單軸壓縮模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。
[0025]圖3 (a)為完整砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)最終破裂模式示意圖。
[0026]圖3 (b)為完整砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)最終破裂模式示意圖。
[0027]圖4 (a)為PFC2D構(gòu)建的斷續(xù)三裂隙矩形數(shù)值模型示意圖。
[0028]圖4 (b)為斷續(xù)三裂隙試樣幾何參數(shù)圖示。
[0029]圖5為斷續(xù)三裂隙砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)與斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型單軸壓縮模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。
[0030]圖6 Ca)為斷續(xù)三裂隙砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)最終破裂模式圖。
[0031]圖6 (b)為斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型單軸壓縮模擬最終破裂模式圖。
[0032]圖組7 Ca)為斷續(xù)三裂隙砂巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展過(guò)程示意圖。
[0033]圖組7 (b)為斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型單軸壓縮模擬裂紋擴(kuò)展過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]實(shí)施例1:以取自中國(guó)山東省臨沂市脆性砂巖為例，介紹一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，包含如下步驟:[0035]a.首先對(duì)需測(cè)試的工程巖體進(jìn)行取樣，將取樣得到的巖體制成完整和斷續(xù)三裂隙長(zhǎng)方體試樣。所述的完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣的高度與寬度之比為2:1 ;完整長(zhǎng)方體砂巖試樣如圖1 (a)所示，其中試樣的寬度L約為80mm，高度H約為160mm，厚度W約為30mm。斷續(xù)裂隙參數(shù)如圖 4(b)所示,其中 α =30。, β !=60° , β2=75。Ja=ISmmJb1=SOmm,2b2=20mm，三條裂隙的寬度均近似為2.5mm ；
[0036] b.將制成的完整和斷續(xù)三裂隙長(zhǎng)方體試樣置于伺服試驗(yàn)機(jī)的三軸密閉壓力缸內(nèi)，先使試驗(yàn)機(jī)壓頭與巖樣上、下端部緊密接觸；
[0037]c.按位移加載速率(速率為8.125 X KTfV1)對(duì)完整和斷續(xù)三裂隙長(zhǎng)方體試樣施加軸向壓力，使試樣加載至破裂，得到完整和斷續(xù)三裂隙長(zhǎng)方體試樣壓縮過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線和破裂巖石試樣。完整砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，獲得的峰值強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變等基本力學(xué)參數(shù)如表2所示，最終破裂模式如圖3(a)所示。斷續(xù)三裂隙砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，最終破裂模式如圖6(a)所示，裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖組7(a)所示；所述的位移加載速率為0.001~0.002mm/s。
[0038]d.采用二維顆粒流程序(PFC2D)建立完整數(shù)值模型，完整數(shù)值模型尺寸與完整巖樣相同；通過(guò)調(diào)整二維顆粒流程序模擬位移加載速率和細(xì)觀參數(shù)獲得一組能夠反映完整巖樣試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)。其中，構(gòu)建的完整數(shù)值模型如圖1 (b)所示，PFC模擬位移加載速率為
0.2m/s,細(xì)觀參數(shù)主要包含顆粒密度、顆粒最小半徑、顆粒最大半徑與最小半徑比值、顆粒接觸模量、顆粒法向剛度與切向剛度比值、顆粒摩擦系數(shù)、黏結(jié)半徑乘子、黏結(jié)模量、黏結(jié)法向剛度與切向剛度比值、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，具體取值如表1所示。由表1所示細(xì)觀參數(shù)模擬得到的完整矩形模型單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖2所示，峰值強(qiáng)度、彈性模型和峰值應(yīng)變等基本力學(xué)參數(shù)對(duì)比如表2所示，最終破壞模式如圖3 (b)所示。通過(guò)對(duì)比，采用表1所示細(xì)觀參數(shù)模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此可以認(rèn)為所確定的細(xì)觀參數(shù)是合理的；所述的二維顆粒流程序模擬位移加載速率為0.05~0.2m/s。
[0039]e.在上述細(xì)觀參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型單軸壓縮過(guò)程數(shù)值模擬，斷續(xù)裂隙數(shù)值模型尺寸與斷續(xù)裂隙巖樣相同；模擬結(jié)果與斷續(xù)裂隙巖樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。構(gòu)建的斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型如圖4 (a)所示，由表1所示細(xì)觀參數(shù)模擬得到的斷續(xù)三裂隙數(shù)值模型單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖5所示，最終破壞模式如圖6 (b)所示，裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖組7 (b)所示。通過(guò)對(duì)比，采用表1所示細(xì)觀參數(shù)模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此可以認(rèn)為所選用的細(xì)觀參數(shù)是比較準(zhǔn)確、合理的；
[0040]所述的細(xì)觀參數(shù)調(diào)整過(guò)程為:首先賦予完整數(shù)值模型一組細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算；將模擬計(jì)算得到的宏觀參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；通過(guò)不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)達(dá)到參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可認(rèn)為該細(xì)觀參數(shù)合理。
[0041]所述的參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在如下方面:
[0042]a.數(shù)值模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)曲線定性相似；
[0043]b.數(shù)值模擬獲得的峰值強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同；
c.數(shù)值模擬獲得的裂紋擴(kuò)展順序與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同；
[0044]d.數(shù)值模擬獲得的最終破壞模式與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同。[0045]表1完整脆性砂巖試樣細(xì)觀參數(shù)
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征是:包括如下步驟: a.首先對(duì)需測(cè)試的工程巖體進(jìn)行取樣，將取樣得到的巖體制成完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣； b.將制成的完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣置于伺服試驗(yàn)機(jī)的三軸密閉壓力缸內(nèi)，先使試驗(yàn)機(jī)壓頭與巖樣上、下端部緊密接觸； c.按位移加載速率對(duì)完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣施加軸向壓力，使試樣加載至破裂，得到完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣壓縮過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線和破裂巖石試樣； d.采用二維顆粒流程序(PFC2D)建立完整試樣數(shù)值模型，完整數(shù)值模型尺寸與完整巖樣相同；通過(guò)不斷調(diào)整二維顆粒流程序模擬位移加載速率及二維顆粒流程序中描述顆粒和黏結(jié)幾何和力學(xué)的細(xì)觀參數(shù)，細(xì)觀參數(shù)包括:顆粒密度、顆粒最小半徑、顆粒最大半徑與最小半徑比值、顆粒接觸模量、顆粒法向剛度與切向剛度比值、顆粒摩擦系數(shù)、黏結(jié)半徑乘子、黏結(jié)模量、黏結(jié)法向剛度與切向剛度比值、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得一組能夠反映完整巖樣試驗(yàn)結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)； e.在上述細(xì)觀參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立斷續(xù)裂隙數(shù)值模型，使斷續(xù)裂隙數(shù)值模型尺寸與斷續(xù)裂隙巖樣相同；再進(jìn)行壓縮過(guò)程模擬，模擬結(jié)果與斷續(xù)裂隙巖樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征在于:所述的完整和斷續(xù)裂隙長(zhǎng)方體試樣的高度與寬度之比為2:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征在于:所述的位移加載速率為0.0Ol?0.002mm/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征在于:所述的二維顆粒流程序模擬位移加載速率為0.05?0.2m/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征在于:細(xì)觀參數(shù)調(diào)整過(guò)程為:首先賦予完整數(shù)值模型一組細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算；將模擬計(jì)算得到的宏觀參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；通過(guò)不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)達(dá)到參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可認(rèn)為該細(xì)觀參數(shù)合理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù)確定方法，其特征在于:細(xì)觀參數(shù)調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在如下方面: a.數(shù)值模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)曲線定性相似； b.數(shù)值模擬獲得的峰值強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同； c.數(shù)值模擬獲得的裂紋擴(kuò)展順序與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同； d.數(shù)值模擬獲得的最終破壞模式與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相同。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK103940666SQ201410101438
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】楊圣奇, 黃彥華 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)