基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法?；诩?xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，步驟如下：(1)多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定；(2)各單礦物巖樣制備；(3)各單礦物巖樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)；(4)建立單礦物巖樣的應(yīng)力松弛模型；(5)反演獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；(6)多礦物巖樣按礦物比例的隨機(jī)幾何建模；(7)多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計(jì)算預(yù)測(cè)。本發(fā)明可以模擬實(shí)際工程巖體的實(shí)際礦物組成情況，不僅限于實(shí)驗(yàn)室尺度；應(yīng)用范圍廣泛。
【專利說(shuō)明】基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)是地下工程的世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外地下水電站、大型礦山巷道、地下鐵道、過(guò)江隧道、地下石油儲(chǔ)備洞庫(kù)等，都在大規(guī)模興建，而這些巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)于工程安全至關(guān)重要。在巖土工程中應(yīng)力松弛現(xiàn)象相當(dāng)普遍，如巖土工程中的擋土墻、巷道及地下工程，往往由于巖土內(nèi)應(yīng)力松弛而導(dǎo)致破壞。巖石的應(yīng)力松弛是指巖石在恒定應(yīng)變作用下，應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而衰減的性質(zhì)。產(chǎn)生應(yīng)力松弛的原因是由于材料的熱運(yùn)動(dòng)，使得變形由彈性變形全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而減小了彈性變形相應(yīng)的應(yīng)力。因此，巖石的應(yīng)力松弛性質(zhì)對(duì)于工程穩(wěn)定是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于多礦物組成巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)的研究是一個(gè)難點(diǎn)，大多是基于實(shí)驗(yàn)室的小試塊應(yīng)力松弛試驗(yàn)，尺寸一般在20cm以下。由于尺寸效應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)室小試塊應(yīng)力松弛試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果很難應(yīng)用于實(shí)際工程中。真實(shí)巖石的礦物組成大多十分復(fù)雜，多由幾種礦物組成，即使對(duì)于同種巖性的巖石，由于地域不同，年代不同，其礦物組成也差異很大，從而影響到其應(yīng)力松弛性質(zhì)也有差異。
[0004]為此，本發(fā)明提供一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法。該發(fā)法先通過(guò)試驗(yàn)得到每種單礦物巖石的應(yīng)力松弛性質(zhì)，再根據(jù)巖石中各種礦物組成的比例，通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算得到多礦物巖石整體應(yīng)力松弛力學(xué)性質(zhì)，有望在工程巖體應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方面取得較好地結(jié)果。
[0005]目前國(guó)內(nèi)相關(guān)巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)研究方法的研究現(xiàn)狀如下:
[0006]1、《巖石的應(yīng)力松弛、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化》一文介紹了大理巖應(yīng)力松弛的測(cè)試方法(參見(jiàn)《地球物理學(xué)進(jìn)展》1996年第4期，作者:伍向陽(yáng)，等)，該方法在實(shí)驗(yàn)室利用800T高溫高壓三軸流變儀對(duì)大理巖進(jìn)行了三軸應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)；但該方法只能測(cè)試巖石小試塊的應(yīng)力松弛曲線，無(wú)法對(duì)大尺度的工程巖體應(yīng)力松弛性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；
[0007]2、《粉砂質(zhì)泥巖三軸壓縮應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)研究》一文介紹了一種飽和粉砂質(zhì)泥巖的三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)(參見(jiàn)《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2011年第4期,作者:于懷昌，等)，該方法采用RLJW - 2000型巖石三軸流變伺服儀，在分級(jí)加載條件下完成飽和粉砂質(zhì)泥巖的三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，但也局限于只能反映實(shí)驗(yàn)室小試塊的應(yīng)力松弛性質(zhì)；
[0008]3、《泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)及地下硐室穩(wěn)定性控制》一文介紹了對(duì)泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)(參見(jiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文，作者張加旺)，該文對(duì)兩組試件分別采用分級(jí)加載與分別加載的方式，進(jìn)行單軸應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，也僅適用于實(shí)驗(yàn)室小試塊試驗(yàn)，也難以應(yīng)用于實(shí)際工程，并且都沒(méi)有考慮巖石多種礦物成分的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0011]基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，步驟如下:
[0012](I)、多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定
[0013](2)、各單礦物巖樣制備
[0014](3)、各單礦物巖樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)
[0015](4)、建立單礦物巖樣的應(yīng)力松弛模型
[0016](5)、反演獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)
[0017](6)、多礦物巖樣按礦物比例的隨機(jī)幾何建模
[0018](7)、多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計(jì)算預(yù)測(cè)。
[0019]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0020]1、以單礦物巖石的應(yīng)力松弛性質(zhì)及礦物比例為基礎(chǔ)，計(jì)算獲得多礦物巖石的應(yīng)力松弛性質(zhì)，可以模擬實(shí)際工程巖體的實(shí)際礦物組成情況，不僅限于實(shí)驗(yàn)室尺度；
[0021]2、該發(fā)明方法可廣泛應(yīng)用于水電、交通、能源、礦山等領(lǐng)域的多礦物巖體力學(xué)性能研究，應(yīng)用范圍廣泛。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法流程示意圖；
[0023]圖2為應(yīng)力松弛曲線性質(zhì)示意圖；
[0024]圖3為Burgers模型示意圖；
[0025]圖4為西原模型示意圖；
[0026]圖5為多礦物巖石的網(wǎng)格單元隨機(jī)分布示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，步驟如下:
[0028]1、多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定，具體方法如下:
[0029]通過(guò)偏光顯微鏡下的巖石薄片鑒定法對(duì)巖樣的礦物成分進(jìn)行鑒定；應(yīng)用網(wǎng)格法確定礦物的百分含量:選擇巖石新鮮而又平整部位畫上網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)各礦物分別占網(wǎng)格總面積的百分比，此百分比即為礦物的百分含量；也可通過(guò)X衍射物相定量分析法對(duì)巖樣的礦物成分和比例進(jìn)行鑒定；
[0030]2、各單礦物巖樣制備，具體方法如下:
[0031]采集各單礦物巖樣分別加工成直徑與高度之比為1:2的圓柱形試樣，要求圓柱形試樣兩端面的不平整度偏差為±0.05毫米，以消除巖樣離散性的影響；
[0032]3、各單礦物巖樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，具體方法如下:
[0033]采用三軸流變儀進(jìn)行單軸和三軸的應(yīng)力松弛試驗(yàn)；圍壓和軸向應(yīng)變施加水平可根據(jù)實(shí)際巖體的瞬時(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，一般地，圍壓O3可取O?50MPa，軸向應(yīng)變S1可取巖樣瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變的60%?90% ；
[0034]例如:制作一個(gè)直徑50mm高度10mm的試樣，安置在流變儀中進(jìn)行試驗(yàn)，先施加圍壓σ 3 = 5MPa，然后施加軸向應(yīng)變?chǔ)?ι并保持恒定，持續(xù)加載3?15天，觀測(cè)并記錄軸向應(yīng)力σ i和橫向應(yīng)力σ 3，觀測(cè)σ i?t關(guān)系曲線和試樣破裂情況；
[0035]4、建立單礦物巖樣的應(yīng)力松弛模型，具體方法如下:
[0036]根據(jù)單礦物巖樣的應(yīng)力松弛試驗(yàn)曲線(見(jiàn)圖2)，分析松弛特征，建立相應(yīng)的應(yīng)力松弛力學(xué)模型；
[0037]如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出完全松弛特性，即應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小到0，可以選用Burgers模型，見(jiàn)圖3 ;如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出不完全松弛特性，即應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小到不為O的常數(shù)，可以選用西原模型，見(jiàn)圖4 ；
[0038]Burgers模型的應(yīng)力松弛方程為:
[0039]σ = εο——-[(— -a,).cxp(-aj) - 1/,).cxp(-r/ OJL 」 P2Uii ~a2) q2 "' Cj2
[0040]西原模型的應(yīng)力松弛方程為:
(En —cxp(-^^/) +σ<σ.
[0041]σ=卜"；￡-+￡''
——-[(—-^/,) *cxp(-1/,/) -?—-α,).οχρ(-α,/)] + as σ > σ、
P2(Cil-U2) q2 —— q2

Px + VPi2 -4P Pi — V/ν -4/^
αχ =-,α2 =-，
[0042]其中，llh2Pl
Jh η, η{、 HiI ]h
Pi =(7^+7^.+.7),"2=n =~^~
ilO 1l1-c1-cIejX
[0043]5、反演獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)，具體方法如下:
[0044]根據(jù)上述建立的應(yīng)力松弛模型，采用最小二乘法參數(shù)反演方法獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；即通過(guò)不斷調(diào)整力學(xué)參數(shù)，使計(jì)算曲線逐漸逼近試驗(yàn)曲線，通過(guò)多步迭代計(jì)算如果計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，擬合誤差在設(shè)定的范圍之內(nèi)，即認(rèn)為該參數(shù)為最終所求的應(yīng)力松弛參數(shù)；
[0045]6、多礦物巖樣按礦物比例的隨機(jī)幾何建模，具體方法如下:
[0046]根據(jù)實(shí)際多礦物巖樣的幾何尺寸，在數(shù)值軟件中建立相應(yīng)的幾何模型，并剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸小于Imm;根據(jù)多礦物巖樣成分的不同，將網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃椴煌牟牧戏纸M，每一個(gè)網(wǎng)格單元的材料分組隨機(jī)設(shè)置，但保證所有網(wǎng)格單元的整體數(shù)量按照礦物成分的比例分布；
[0047]如，一種多礦物巖樣由三種不同礦物成分A、B、C組成，A:B:C = 5%:75%:20%；如圖5所示，A礦物由綠色單元表示，B礦物由藍(lán)色單元表示，C礦物由紅色單元表示，每種礦物的網(wǎng)格單元在整體空間中隨機(jī)分布，但三種礦物的網(wǎng)格單元總數(shù)等于整個(gè)巖樣的網(wǎng)格單元數(shù)；
[0048]7、多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計(jì)算預(yù)測(cè)，具體方法如下:
[0049]將上述步驟獲得的單礦物巖石的應(yīng)力松弛模型和應(yīng)力松弛參數(shù)應(yīng)用到多礦物巖樣的網(wǎng)格模型中，用數(shù)值軟件進(jìn)行應(yīng)力松弛計(jì)算，可以得到多礦物巖樣的應(yīng)力松弛計(jì)算曲線，從而對(duì)多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟如下: (1)、多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定 (2)、各單礦物巖樣制備 (3)、各單礦物巖樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn) (4)、建立單礦物巖樣的應(yīng)力松弛模型 (5)、反演獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù) (6)、多礦物巖樣按礦物比例的隨機(jī)幾何建模 (7)、多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計(jì)算預(yù)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定，具體方法如下:通過(guò)偏光顯微鏡下的巖石薄片鑒定法對(duì)巖樣的礦物成分進(jìn)行鑒定；應(yīng)用網(wǎng)格法確定礦物的百分含量:選擇巖石新鮮而又平整部位畫上網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)各礦物分別占網(wǎng)格總面積的百分比，此百分比即為礦物的百分含量；也可通過(guò)X衍射物相定量分析法對(duì)巖樣的礦物成分和比例進(jìn)行鑒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，各單礦物巖樣制備，具體方法如下:采集各單礦物巖樣分別加工成直徑與高度之比為1:2的圓柱形試樣，要求圓柱形試樣兩端面的不平整度偏差為±0.05毫米，以消除巖樣離散性的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，各單礦物巖樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，具體方法如下:采用三軸流變儀進(jìn)行單軸和三軸的應(yīng)力松弛試驗(yàn)；圍壓和軸向應(yīng)變施加水平可根據(jù)實(shí)際巖體的瞬時(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，一般地，圍壓σ3可取O?50MPa，軸向應(yīng)變?chǔ)?i可取巖樣瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變的 60%?90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，建立單礦物巖樣的應(yīng)力松弛模型，具體方法如下:根據(jù)單礦物巖樣的應(yīng)力松弛試驗(yàn)曲線，分析松弛特征，建立相應(yīng)的應(yīng)力松弛力學(xué)模型；如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出完全松弛特性，即應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小到0，可以選用Burgers模型；如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出不完全松弛特性，即應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小到不為O的常數(shù)，可以選用西原模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，反演獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)，具體方法如下:根據(jù)上述建立的應(yīng)力松弛模型，采用最小二乘法參數(shù)反演方法獲得單礦物巖樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；即通過(guò)不斷調(diào)整力學(xué)參數(shù)，使計(jì)算曲線逐漸逼近試驗(yàn)曲線，通過(guò)多步迭代計(jì)算如果計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，擬合誤差在設(shè)定的范圍之內(nèi)，即認(rèn)為該參數(shù)為最終所求的應(yīng)力松弛參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，多礦物巖樣按礦物比例的隨機(jī)幾何建模，具體方法如下:根據(jù)實(shí)際多礦物巖樣的幾何尺寸，在數(shù)值軟件中建立相應(yīng)的幾何模型，并剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸小于Imm ;根據(jù)多礦物巖樣成分的不同，將網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃椴煌牟牧戏纸M，每一個(gè)網(wǎng)格單元的材料分組隨機(jī)設(shè)置，但保證所有網(wǎng)格單元的整體數(shù)量按照礦物成分的比例分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的巖石應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計(jì)算預(yù)測(cè)，具體方法如下:將上述步驟獲得的單礦物巖石的應(yīng)力松弛模型和應(yīng)力松弛參數(shù)應(yīng)用到多礦物巖樣的網(wǎng)格模型中，用數(shù)值軟件進(jìn)行應(yīng)力松弛計(jì)算，可以得到多礦物巖樣的應(yīng)力松弛計(jì)算曲線，從而對(duì)多礦物巖樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK104280530SQ201410535992
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】楊文東, 井文君, 李春寶, 欒雅琳 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)