[發(fā)明專利]一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學特性的細觀參數(shù)確定方法

無效

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• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103940666A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設計）人: 楊圣奇;黃彥華
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域：

本發(fā)明涉及一種巖石力學測定方法，具體為一種模擬斷續(xù)裂隙巖石力學特性的細觀參數(shù)確定方法。?

背景技術：

在巖石力學領域，裂隙巖石是礦山、水利、石油、核廢料存儲等各種巖石工程中經常遇到的一種復雜介質。大量工程實踐表明，巖石工程的失穩(wěn)破壞，通常是由于內部裂隙的張開、起裂、擴展以及貫通而產生新的剪切滑動面所引起的。研究裂隙分布對巖石強度變形等力學參數(shù)的影響和裂紋起裂、擴展和貫通模式具有重要的理論價值和實踐意義。?

采用試驗手段，包括模型試驗和物理試驗雖然能較為直觀的獲取裂紋起裂、擴展和貫通過程，但存在操作復雜、費用高和周期長等缺點。隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬可重復性強、準確等優(yōu)點，使得數(shù)值模擬分析越來越受到重視。?

二維顆粒流程序（PFC2D）是ITASCA公司基于離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用的大型數(shù)值程序；二維顆粒流程序為現(xiàn)有的一種數(shù)值計算軟件。在巖石力學領域，PFC已經廣泛應用于模擬和解決不同尺度下的巖石力學問題。PFC能夠從細觀層面再現(xiàn)巖石復雜的力學行為，并有助于揭示巖石的變形破壞機理。因此，PFC數(shù)值模擬提供了從細觀層面研究斷續(xù)裂隙巖石力學特性的思路。?

發(fā)明內容：

技術問題：本發(fā)明的目的是提出一種確定方法快速、簡便、易行、效果良好的模擬斷續(xù)裂隙巖石力學特性的細觀參數(shù)確定方法。?

技術方案：本發(fā)明模擬斷續(xù)裂隙巖石力學特性的細觀參數(shù)確定方法，包括如下步驟：?

a.首先對需測試的工程巖體進行取樣，將取樣得到的巖體制成完整和斷續(xù)裂隙長方體試樣；?

b.將制成的完整和斷續(xù)裂隙長方體試樣置于伺服試驗機的三軸密閉壓力缸內，先使試驗機壓頭與巖樣上、下端部緊密接觸；?

c.按位移加載速率對完整和斷續(xù)裂隙長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)裂隙長方體試樣壓縮過程應力-應變全過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；通過不斷調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幾何和力學的細觀參數(shù)，細觀參數(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)、黏結半徑乘子、黏結模量、黏結法向剛度與切向剛度比值、黏結法向強度平均值與標準差、黏結切向強度平均值與標準差，從而獲得一組能夠反映完整巖樣試驗結果的細觀參數(shù)；?

e.在上述細觀參數(shù)的基礎上，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；再進行壓縮過程模擬，模擬結果與斷續(xù)裂隙巖樣試驗結果對比，進一?步驗證細觀參數(shù)的準確性。?

所述的完整與斷續(xù)裂隙長方體試樣的高度與寬度之比為2：1。?

所述的位移加載速率為0.001～0.002mm/s。?

所述的二維顆粒流程序模擬位移加載速率為0.05～0.2m/s。?

所述的細觀參數(shù)調整過程為：首先賦予完整數(shù)值模型一組細觀參數(shù)，進行模擬計算；將模擬計算得到的宏觀參數(shù)與室內試驗結果進行對比；通過不斷調整細觀參數(shù)，當達到參數(shù)調試標準時，即可認為該細觀參數(shù)合理。?

所述的參數(shù)調試標準主要體現(xiàn)在如下方面：?

a.數(shù)值模擬獲得的應力-應變曲線與室內試驗曲線定性相似；?

b.數(shù)值模擬獲得的峰值強度和彈性模量等基本力學參數(shù)與室內試驗結果相同；?

c.數(shù)值模擬獲得的裂紋擴展順序與室內試驗結果相同；?

d.數(shù)值模擬獲得的最終破壞模式與室內試驗結果相同。?

有益效果：本發(fā)明適用于模擬斷續(xù)裂隙巖石力學特性的細觀參數(shù)確定方法，通過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試驗結果調試的細觀參數(shù)進行斷續(xù)裂隙巖石試樣單軸或三軸壓縮試驗，模擬結果與斷續(xù)裂隙巖石室內試驗結果對比能夠進一步驗證該細觀參數(shù)的準確性。裂隙巖石室內試驗與模擬結果有助于加深對斷續(xù)裂隙巖石力學行為的認識。該方法快速、簡便、易行，效果良好，在本技術領域內具有廣泛的實用性。?

附圖說明

圖1（a）為完整長方體砂巖試樣示意圖；?

圖1（b）為PFC2D構建的完整矩形數(shù)值模型示意圖。?

圖2為完整砂巖試樣單軸壓縮試驗與完整數(shù)值模型單軸壓縮模擬應力-應變曲線對比圖。?

圖3（a）為完整砂巖試樣單軸壓縮試驗最終破裂模式示意圖。?