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基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于巖土工程領域，具體地，涉及一種基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法?；诩氂^組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，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行蠕變試驗；(4)、建立單礦物巖樣的蠕變模型；(5)、反演獲得單礦物巖樣的蠕變參數(shù)；(6)、多礦物巖樣按礦物比例的隨機幾何建模；(7)、多礦物巖樣的蠕變性質(zhì)計算預測。本發(fā)明可以模擬實際工程巖體的實際礦物組成情況,不僅限于實驗室尺度；應用范圍廣泛。
【專利說明】基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖土工程領域，具體地，涉及一種基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì) 預測方法。

【背景技術】
[0002] 21世紀是地下工程的世紀，國內(nèi)外地下水電站、大型礦山巷道、地下鐵道、過江隧 道、地下石油儲備洞庫等，都在大規(guī)模興建，而這些巖體工程的長期穩(wěn)定性對于工程安全至 關重要。實際上，巖石的變形并不是開挖完成后瞬間產(chǎn)生的，而是隨著時間的增長逐漸變化 的，甚至在有些破碎圍巖中，蠕變變形遠遠大于瞬時變形。巖石的蠕變是指巖石在恒定應力 作用下，應變隨時間增長而增大的性質(zhì)。因此，巖石的蠕變性質(zhì)對于工程穩(wěn)定是一個十分重 要的問題。
[0003] 目前國內(nèi)外對于多礦物組成巖石蠕變性質(zhì)的研究是一個難點，大多是基于實驗室 的小試塊蠕變試驗，尺寸一般在20cm以下。由于尺寸效應的影響，實驗室小試塊蠕變試驗 的試驗結(jié)果很難應用于實際工程中。真實巖石的礦物組成大多十分復雜，多由幾種礦物組 成，即使對于同種巖性的巖石，由于地域不同，年代不同，其礦物組成也差異很大，從而影響 到其蠕變性質(zhì)也有差異。
[0004] 為此，本發(fā)明提供一種基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法。該發(fā)法先通 過試驗得到每種單礦物巖石的蠕變性質(zhì)，再根據(jù)巖石中各種礦物組成的比例，通過數(shù)值模 擬方法計算得到多礦物巖石整體蠕變力學性質(zhì)，有望在工程巖體蠕變變形預測方面取得較 好地結(jié)果。
[0005] 目前國內(nèi)相關巖石蠕變性質(zhì)研究方法的研究現(xiàn)狀如下：
[0006] 1、《巖石蠕變模型的比較與修正》一文介紹了一種巖石蠕變模型預測實驗曲線的 方法（參見《實驗力學》2008年第1期，作者：李成波，等），該方法對三種巖石在不同的應 力下進行了蠕變實驗，并將實驗蠕變曲線分成二部分，第一部分用于模型參數(shù)的反演，第二 部分用于模型預測數(shù)據(jù)的檢驗；但該方法只能預測巖石小試塊的蠕變曲線，無法對大尺度 的工程巖體蠕變性質(zhì)進行預測；
[0007] 2、《剛性承壓板下深部巖體壓縮蠕變參數(shù)反演》一文介紹了一種通過現(xiàn)場大型剛 性承壓板壓縮蠕變試驗研究巖體蠕變性質(zhì)的方法（參見《巖土力學》2009年第3期，作者： 楊文東，等），該方法采用直徑1米的圓型剛性承壓板在水電站壩區(qū)的巖體表面施加持續(xù)的 壓縮荷載，研究現(xiàn)場巖體的蠕變性質(zhì)，該方法的試驗尺度較實驗室試塊更大，但也局限于只 能反映實驗工程的局部區(qū)域的蠕變力學性質(zhì)，并且耗資巨大；
[0008] 3、《高應力巖石蠕變與細觀試驗研究》一文介紹了一種利用CT實時成像系統(tǒng)記錄 巖石蠕變過程中裂紋擴展破壞來推測巖石蠕變性質(zhì)的方法（參見江西理工大學碩士論文， 作者翟有經(jīng)），試方法僅適用于實驗室小試塊試驗，也難以應用于實際工程；
[0009] 4、《錦屏大理巖蠕變損傷演化細觀力學特征的數(shù)值模擬研究》一文介紹了一種采 用二維顆粒流數(shù)值模擬方法（PFC2D)對巖石的蠕變損傷和斷裂的力學機制的分析方法（參 見《巖土力學》2013年第12期，作者：孫金山，等），該方法從細觀力學角度研究了巖樣蠕變 損傷過程中，其內(nèi)部微裂紋擴展造成巖樣蠕變破裂的方法，但是沒有考慮巖石多種礦物成 分的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測 方法。
[0011] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：
[0012] 基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，步驟如下：
[0013] (1)、多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定
[0014] (2)、各單礦物巖樣制備
[0015] (3)、各單礦物巖樣分別進行蠕變試驗
[0016] (4)、建立單礦物巖樣的蠕變模型
[0017] (5)、反演獲得單礦物巖樣的蠕變參數(shù)
[0018] (6)、多礦物巖樣按礦物比例的隨機幾何建模
[0019] (7)、多礦物巖樣的蠕變性質(zhì)計算預測。
[0020] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0021] 1、以單礦物巖石的蠕變性質(zhì)及礦物比例為基礎，計算獲得多礦物巖石的蠕變性 質(zhì)，可以模擬實際工程巖體的實際礦物組成情況，不僅限于實驗室尺度；
[0022] 2、該發(fā)明方法可廣泛應用于水電、交通、能源、礦山等領域的多礦物巖體力學性能 研究，應用范圍廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法流程示意圖；
[0024] 圖2為蠕變曲線性質(zhì)示意圖；
[0025] 圖3為廣義Kelvin模型示意圖；
[0026] 圖4為西原模型示意圖；
[0027] 圖5為多礦物巖石的網(wǎng)格單元隨機分布示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 如圖1所示，基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，步驟如下：
[0029] 1、多礦物巖樣礦物成分及礦物比例鑒定，具體方法如下：
[0030] 通過偏光顯微鏡下的巖石薄片鑒定法對巖樣的礦物成分進行鑒定；應用網(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X衍射物相定量分析法對巖樣的礦物 成分和比例進行鑒定；
[0031] 2、各單礦物巖樣制備，具體方法如下：
[0032] 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；
[0033] 3、各單礦物巖樣分別進行蠕變試驗，具體方法如下：
[0034] 采用三軸流變儀進行單軸和三軸的壓縮蠕變試驗；圍壓和軸向壓力施加水平可根 據(jù)實際巖體的瞬時力學實驗結(jié)果進行調(diào)整，一般地，圍壓〇3可取〇?50MPa，軸向壓力〇1 可取巖樣瞬時抗壓強度的60%?90% ;
[0035] 例如：制作一個直徑50mm高度100mm的試樣，安置在流變儀中進行試驗，先施加圍 壓 〇 3 = 5MPa，然后依次施加軸向壓力〇 i并保持恒定，持續(xù)加載3?15天，觀測并記錄軸 向應變ε i和橫向應變ε 3，觀測ε i?t關系曲線和試樣破裂情況；
[0036] 4、建立單礦物巖樣的蠕變模型，具體方法如下：
[0037] 根據(jù)單礦物巖樣的蠕變試驗曲線（見圖2)，分析蠕變特征，不考慮加速蠕變階段， 建立相應的蠕變力學模型；
[0038] 如果蠕變曲線表現(xiàn)出瞬時彈性變形和衰減蠕變變形，即蠕變速率隨時間增長逐漸 減小到0,可以選用廣義Kelvin模型，見圖3 ;如果懦變曲線表現(xiàn)出瞬時彈性變形、衰減懦變 變形和等速蠕變變形，即蠕變速率隨時間增長逐漸趨于不為〇的常數(shù)，可以選用西原模型， 見圖4 ;
[0039] 廣義Kelvin模型的蠕變方程為：

【權利要求】
1. 一種基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，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行蠕變試驗 (4) 、建立單礦物巖樣的蠕變模型 (5) 、反演獲得單礦物巖樣的蠕變參數(shù) (6) 、多礦物巖樣按礦物比例的隨機幾何建模 (7) 、多礦物巖樣的蠕變性質(zhì)計算預測。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，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：通過偏光顯微鏡下的巖石薄片鑒定 法對巖樣的礦物成分進行鑒定；應用網(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X衍射物相定量分析法對巖樣的礦物成分和比例進行鑒定。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，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)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，其特征在于， 各單礦物巖樣分別進行蠕變試驗，具體方法如下：采用三軸流變儀進行單軸和三軸的壓縮 蠕變試驗；圍壓和軸向壓力施加水平可根據(jù)實際巖體的瞬時力學實驗結(jié)果進行調(diào)整，一般 地，圍壓〇 3可取0?5010^，軸向壓力〇1可取巖樣瞬時抗壓強度的60%?90%。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，其特征在于， 建立單礦物巖樣的蠕變模型，具體方法如下：根據(jù)單礦物巖樣的蠕變試驗曲線，分析蠕變特 征，不考慮加速蠕變階段，建立相應的蠕變力學模型；如果蠕變曲線表現(xiàn)出瞬時彈性變形和 衰減蠕變變形，即蠕變速率隨時間增長逐漸減小到〇,可以選用廣義Kelvin模型；如果蠕變 曲線表現(xiàn)出瞬時彈性變形、衰減蠕變變形和等速蠕變變形，即蠕變速率隨時間增長逐漸趨 于不為〇的常數(shù)，可以選用西原模型。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，其特征在于， 反演獲得單礦物巖樣的蠕變參數(shù)，具體方法如下：根據(jù)上述建立的蠕變模型，采用最小二乘 法參數(shù)反演方法獲得單礦物巖樣的蠕變參數(shù)；即通過不斷調(diào)整力學參數(shù)，使計算曲線逐漸 逼近試驗曲線，通過多步迭代計算如果計算曲線與試驗曲線吻合較好，擬合誤差在設定的 范圍之內(nèi)，即認為該參數(shù)為最終所求的蠕變參數(shù)。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，其特征在于， 多礦物巖樣按礦物比例的隨機幾何建模，具體方法如下：根據(jù)實際多礦物巖樣的幾何尺寸， 在數(shù)值軟件中建立相應的幾何模型，并剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸小于1_ ;根據(jù)多礦物巖樣成分 的不同，將網(wǎng)格單元劃分為不同的材料分組，每一個網(wǎng)格單元的材料分組隨機設置，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)權利要求1所述的基于細觀組構(gòu)模擬的巖石蠕變性質(zhì)預測方法，其特征在于， 多礦物巖樣的蠕變性質(zhì)計算預測，具體方法如下：將上述步驟獲得的單礦物巖石的蠕變模 型和蠕變參數(shù)應用到多礦物巖樣的網(wǎng)格模型中，用數(shù)值軟件進行蠕變計算，可以得到多礦 物巖樣的蠕變計算曲線，從而對多礦物巖樣的蠕變性質(zhì)進行預測。
【文檔編號】G01N3/28GK104280299SQ201410535994
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權日:2014年10月11日
【發(fā)明者】楊文東, 張玉, 俞然剛 申請人:中國石油大學(華東)