本發(fā)明涉及地質(zhì)分析領(lǐng)域，特別是指一種裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

巖石材料在長期的地質(zhì)作用下，內(nèi)部產(chǎn)生大量的節(jié)理裂隙。對于不同尺度的巖石材料，決定其力學(xué)特性的裂隙尺度也有所不同：巖體的強(qiáng)度主要受宏觀節(jié)理的控制；而分米級巖石試樣的強(qiáng)度特性主要受微觀裂隙的影響。巖石試樣的破壞是由于細(xì)觀尺度的微裂隙演化所產(chǎn)生的，因此，對巖石試樣中細(xì)觀尺度微裂隙網(wǎng)絡(luò)的研究有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，所述裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法包括：

根據(jù)巖石ct掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)；

采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)影響進(jìn)行分析，所述參數(shù)包括傾角和傾向；

根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度。

優(yōu)選的，所述根據(jù)巖石ct掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)，包括：

通過對巖石ct掃描數(shù)據(jù)的整理，獲取巖石試樣的裂隙產(chǎn)狀信息，所述巖石裂隙產(chǎn)狀信息包括微裂隙的傾角、傾向、跡線長和中心坐標(biāo)；

對所獲取的裂隙產(chǎn)狀信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定各產(chǎn)狀要素所符合的分布規(guī)律；

在matlab中生成符合規(guī)律的隨機(jī)數(shù)；

將生成的隨機(jī)數(shù)組合成所需的裂隙位置和產(chǎn)狀信息，在pfc3d中調(diào)用光滑節(jié)理模型，建立巖石試樣中的隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)選的，所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)影響進(jìn)行分析，包括：

采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行分析；

采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾向影響進(jìn)行分析。

優(yōu)選的，所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行分析，包括：

采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行數(shù)值分析；

采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行理論分析；

所述傾角影響的數(shù)值分析包括沿z軸加載進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，取傾向?yàn)?°，傾角從0°到360°每10°進(jìn)行一次試驗(yàn)，記錄每次試樣的強(qiáng)度變化，根據(jù)強(qiáng)度變化得到傾角影響數(shù)值分析結(jié)果；

所述傾角影響的理論分析包括：巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力應(yīng)等于巖石本身的內(nèi)聚力和作用在該面上由法向應(yīng)力引起的摩擦阻力之和為：

式中：τ為剪應(yīng)力，σ為正應(yīng)力，c為內(nèi)聚力，為內(nèi)摩擦角；

與最大主平面夾角為α的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：

其中，σ1為單軸加載應(yīng)力；

破壞面上有效剪應(yīng)力為：

τ'＝τ-fσ

其中，τ'為有效剪應(yīng)力，f為摩擦因數(shù)，

利用下式求出單軸壓縮狀態(tài)下的剪切破壞角并得出傾角影響理論分析結(jié)果：

優(yōu)選的，所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾向影響進(jìn)行分析，包括：

沿z軸加載進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，取傾角為60°，傾向從0°到180°每10°進(jìn)行一次試驗(yàn)，分析試樣的強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的變化，得出傾向影響分析結(jié)果。

優(yōu)選的，所述根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度包括：

將所有裂隙傾向置為0°；

將所有裂隙傾角轉(zhuǎn)化到[0°，180°]內(nèi)；

傾角[0°，90°)內(nèi)的裂隙向傾角α平面投影；[90°，180°]內(nèi)裂隙向傾角π-α平面投影；

將所有微裂隙投影面積相加，求得總投影面積。

優(yōu)選的，所述根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度還包括：

根據(jù)總投影面積得到隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)投影面積隨傾角變化曲線和巖石強(qiáng)度隨投影面積變化曲線；

利用二次多項(xiàng)式對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到試樣在任意隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)下的強(qiáng)度值。

優(yōu)選的，所述利用二次多項(xiàng)式對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到試樣在任意隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)下的強(qiáng)度值包括：

利用下式進(jìn)行擬合；

y＝ax²+bx+c

其中，y試樣在任意隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)下的強(qiáng)度值，x為巖石強(qiáng)度隨投影面積，a＝-311515.5，b＝10601.9，c＝84.2。

優(yōu)選的，所述裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，在根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度之后，還包括：

預(yù)測服從其他分布的隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)試樣的強(qiáng)度值，通過與數(shù)值計(jì)算值的比較驗(yàn)證預(yù)測準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

上述方案中，在巖石ct掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成巖石試樣隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的重建，并深入研究了微裂隙試樣力學(xué)特性，根據(jù)裂隙向最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和估計(jì)巖石強(qiáng)度，從而提高了裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)等密圖；

圖3為本發(fā)明的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法數(shù)值試樣與試驗(yàn)結(jié)果對比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，所述裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法包括：

步驟101：根據(jù)巖石ct掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)。

其中，通過對巖石ct掃描數(shù)據(jù)的整理，獲取巖石試樣的裂隙產(chǎn)狀信息，所述巖石裂隙產(chǎn)狀信息包括微裂隙的傾角、傾向、跡線長和中心坐標(biāo)；

對所獲取的裂隙產(chǎn)狀信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定各產(chǎn)狀要素所符合的分布規(guī)律；

在matlab中生成符合規(guī)律的隨機(jī)數(shù)；

將生成的隨機(jī)數(shù)組合成所需的裂隙位置和產(chǎn)狀信息，在pfc3d中調(diào)用光滑節(jié)理模型，建立巖石試樣中的隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)。

步驟102：采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)影響進(jìn)行分析，所述參數(shù)包括傾角和傾向。

其中，所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)影響進(jìn)行分析，包括：采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行分析；采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾向影響進(jìn)行分析。所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行分析，包括：采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行數(shù)值分析；采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾角影響進(jìn)行理論分析；

步驟103：根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度。

其中，將所有裂隙傾向置為0°；

將所有裂隙傾角轉(zhuǎn)化到[0°，180°]內(nèi)；

傾角[0°，90°)內(nèi)的裂隙向傾角α平面投影；[90°，180°]內(nèi)裂隙向傾角π-α平面投影；

將所有微裂隙投影面積相加，求得總投影面積。

優(yōu)選的，所述裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，在根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度之后，還包括：

預(yù)測服從其他分布的隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)試樣的強(qiáng)度值，通過與數(shù)值計(jì)算值的比較驗(yàn)證預(yù)測準(zhǔn)確性。

其中，采用傾向[0°，360°]均勻隨機(jī)分布，傾角正態(tài)分布的微裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將預(yù)測強(qiáng)度與數(shù)值計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行比較，預(yù)測結(jié)果與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。預(yù)測誤差在5％左右，最大為8.84％，且誤差隨著投影面積的增大而呈增大的趨勢。該預(yù)測方法可用于任意分布規(guī)律多節(jié)理裂隙巖石試樣強(qiáng)度預(yù)測，具有普適性。

本發(fā)明實(shí)施例的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，在巖石ct掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成巖石試樣隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的重建，并深入研究了微裂隙試樣力學(xué)特性，根據(jù)裂隙向最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和估計(jì)巖石強(qiáng)度，從而提高了裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測的準(zhǔn)確性。

具體的，所述傾角影響數(shù)值分析包括沿z軸加載進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，取傾向?yàn)?°，傾角從0°到360°每10°進(jìn)行一次試驗(yàn)，記錄每次試樣的強(qiáng)度變化，根據(jù)強(qiáng)度變化得到傾角影響數(shù)值分析結(jié)果；

其中，試樣的強(qiáng)度隨標(biāo)準(zhǔn)差的增加而增加，這是由于標(biāo)準(zhǔn)差越大，產(chǎn)生的隨機(jī)裂隙傾角越分散，傾角偏離60°的裂隙數(shù)增多，因此試樣強(qiáng)度越高。

所述傾角影響理論分析包括：巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力應(yīng)等于巖石本身的內(nèi)聚力和作用在該面上由法向應(yīng)力引起的摩擦阻力之和為：

式中：τ為剪應(yīng)力，σ為正應(yīng)力，c為內(nèi)聚力，為內(nèi)摩擦角；

與最大主平面夾角為α的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：

其中，σ1為單軸加載應(yīng)力；

破壞面上有效剪應(yīng)力為：

τ'＝τ-fσ

其中，τ'為有效剪應(yīng)力，f為摩擦因數(shù)，

利用下式求出單軸壓縮狀態(tài)下的剪切破壞角并得出傾角影響理論分析結(jié)果：

其中，在數(shù)值試驗(yàn)中，當(dāng)裂隙傾角為60°和120°時(shí)試樣強(qiáng)度最小，因此，可以得出結(jié)論，試樣內(nèi)裂隙傾角越接近最大有效剪應(yīng)力平面的傾角，試樣強(qiáng)度越低。

所述采用控制變量法對隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾向影響進(jìn)行分析，包括：

沿z軸加載進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，取傾角為60°，傾向從0°到180°每10°進(jìn)行一次試驗(yàn)，分析試樣的強(qiáng)度、彈性模量和泊松比的變化，得出傾向影響分析結(jié)果。

其中，試樣的強(qiáng)度隨標(biāo)準(zhǔn)差的增加而略微增加，變化范圍很小。

在沿z軸加載時(shí)，巖石試樣強(qiáng)度主要受傾角的影響而與傾向無顯著聯(lián)系。

優(yōu)選的，所述根據(jù)隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和預(yù)測裂隙巖石強(qiáng)度還包括：

根據(jù)總投影面積得到隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)投影面積隨傾角變化曲線和巖石強(qiáng)度隨投影面積變化曲線；

利用二次多項(xiàng)式對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到試樣在任意隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)下的強(qiáng)度值。

其中，利用下式進(jìn)行擬合；

y＝ax²+bx+c

其中，y試樣在任意隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)下的強(qiáng)度值，x為巖石強(qiáng)度隨投影面積，a＝-311515.5，b＝10601.9，c＝84.2。

本發(fā)明實(shí)施例的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，對個(gè)舊錫礦高松礦田裂隙進(jìn)行了多尺度研究，對巖石試樣進(jìn)行了ct掃描，在50個(gè)掃描剖面中共觀測到

284條裂隙，并推導(dǎo)出裂隙體密度為0.19條/cm³。根據(jù)試樣信息建立8cm(x

軸)×8cm(y軸)×12cm(z軸)的數(shù)值試樣，其中應(yīng)包含裂隙數(shù)為146條。

通過對裂隙傾角和傾向的統(tǒng)計(jì)分析得出：巖石的傾角和傾向服從正態(tài)分

布；且有三個(gè)明顯的優(yōu)勢裂隙組，各組產(chǎn)狀特征和數(shù)量分布如表1所示。

表1裂隙產(chǎn)狀分布

為簡單計(jì)算，許多學(xué)者將節(jié)理面近似為圓形或橢圓形[5]。經(jīng)過對裂隙半徑的分析，認(rèn)為裂隙半徑符合冪律型分布。裂隙中心位置符合均勻隨機(jī)分布。

根據(jù)以上試樣信息，在matlab中生成符合相應(yīng)分布的隨機(jī)數(shù)，并組合成裂隙網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在完整巖石數(shù)值試樣中，建立隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)。

對生成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)如圖2所示。由圖2可知，生成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)包含三個(gè)優(yōu)勢裂隙組，以第一組最為明顯，與ct觀測結(jié)果一致。

根據(jù)試樣信息與試驗(yàn)數(shù)據(jù)[24-26]，對數(shù)值試樣參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終獲得細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表2所示。此時(shí)，數(shù)值試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3所示。裂隙試樣的力學(xué)特性與真實(shí)試樣一致，可于數(shù)值試驗(yàn)研究。

表2細(xì)觀參數(shù)表

本發(fā)明實(shí)施例的裂隙巖石強(qiáng)度分析預(yù)測方法，通過ct掃描數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試樣中裂隙網(wǎng)絡(luò)符合特定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，利用monte-carlo模擬技術(shù)生成隨機(jī)數(shù)，可用于建立試樣尺寸的微裂隙網(wǎng)絡(luò)。該方法對含裂隙巖石試樣的強(qiáng)度計(jì)算具有參考價(jià)值。數(shù)值試樣沿z軸加載時(shí)，試樣強(qiáng)度主要受傾角影響，而與傾向關(guān)聯(lián)不大。試樣力學(xué)特性隨傾角變化呈現(xiàn)出周期性和對稱性。傾角和傾向服從正態(tài)分布，均值相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)差越大，試樣的強(qiáng)度越高。當(dāng)傾角越接近最大有效剪應(yīng)力平面時(shí)，試樣強(qiáng)度越低。提出根據(jù)裂隙向最大有效剪應(yīng)力平面投影面積和估計(jì)巖石強(qiáng)度的方法。并用此方法預(yù)測了服從其他分布的隨機(jī)微裂隙網(wǎng)絡(luò)試樣的強(qiáng)度值，通過與數(shù)值計(jì)算值的比較驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。