基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法

摘要

本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法。基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法，步骤如下：(1)多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定；(2)各单矿物岩样制备；(3)各单矿物岩样分别进行应力松弛试验；(4)建立单矿物岩样的应力松弛模型；(5)反演获得单矿物岩样的应力松弛参数；(6)多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模；(7)多矿物岩样的应力松弛性质计算预测。本发明可以模拟实际工程岩体的实际矿物组成情况，不仅限于实验室尺度；应用范围广泛。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种基于细观组构模拟的岩石应 力松弛性质预测方法。

背景技术

21世纪是地下工程的世纪，国内外地下水电站、大型矿山巷道、地下铁道、 过江隧道、地下石油储备洞库等，都在大规模兴建，而这些岩体工程的长期稳 定性对于工程安全至关重要。在岩土工程中应力松弛现象相当普遍，如岩土工 程中的挡土墙、巷道及地下工程，往往由于岩土内应力松弛而导致破坏。岩石 的应力松弛是指岩石在恒定应变作用下，应力随时间增长而衰减的性质。产生 应力松弛的原因是由于材料的热运动，使得变形由弹性变形全部或部分转变为 塑性变形，从而减小了弹性变形相应的应力。因此，岩石的应力松弛性质对于 工程稳定是一个十分重要的问题。

目前国内外对于多矿物组成岩石应力松弛性质的研究是一个难点，大多是 基于实验室的小试块应力松弛试验，尺寸一般在20cm以下。由于尺寸效应的 影响，实验室小试块应力松弛试验的试验结果很难应用于实际工程中。真实岩 石的矿物组成大多十分复杂，多由几种矿物组成，即使对于同种岩性的岩石， 由于地域不同，年代不同，其矿物组成也差异很大，从而影响到其应力松弛性 质也有差异。

为此，本发明提供一种基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法。 该发法先通过试验得到每种单矿物岩石的应力松弛性质，再根据岩石中各种矿 物组成的比例，通过数值模拟方法计算得到多矿物岩石整体应力松弛力学性 质，有望在工程岩体应力松弛预测方面取得较好地结果。

目前国内相关岩石应力松弛性质研究方法的研究现状如下：

1、《岩石的应力松弛、应变硬化和应变软化》一文介绍了大理岩应力松弛 的测试方法(参见《地球物理学进展》1996年第4期，作者：伍向阳，等)，该 方法在实验室利用800T高温高压三轴流变仪对大理岩进行了三轴应力松弛实 验；但该方法只能测试岩石小试块的应力松弛曲线，无法对大尺度的工程岩体 应力松弛性质进行预测；

2、《粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究》一文介绍了一种饱和粉 砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验(参见《岩石力学与工程学报》2011年第4 期，作者：于怀昌，等)，该方法采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪，在 分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验，但也局限于只 能反映实验室小试块的应力松弛性质；

3、《泥质粉砂岩应力松弛实验及地下硐室稳定性控制》一文介绍了对泥质 粉砂岩进行应力松弛的实验(参见山东农业大学硕士论文，作者张加旺)，该文 对两组试件分别采用分级加载与分别加载的方式，进行单轴应力松弛实验，也 仅适用于实验室小试块试验，也难以应用于实际工程，并且都没有考虑岩石多 种矿物成分的影响。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于细观组构模拟的岩石应力松 弛性质预测方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法，步骤如下：

(1)、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定

(2)、各单矿物岩样制备

(3)、各单矿物岩样分别进行应力松弛试验

(4)、建立单矿物岩样的应力松弛模型

(5)、反演获得单矿物岩样的应力松弛参数

(6)、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模

(7)、多矿物岩样的应力松弛性质计算预测。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、以单矿物岩石的应力松弛性质及矿物比例为基础，计算获得多矿物岩 石的应力松弛性质，可以模拟实际工程岩体的实际矿物组成情况，不仅限于实 验室尺度；

2、该发明方法可广泛应用于水电、交通、能源、矿山等领域的多矿物岩 体力学性能研究，应用范围广泛。

附图说明

图1为基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法流程示意图；

图2为应力松弛曲线性质示意图；

图3为Burgers模型示意图；

图4为西原模型示意图；

图5为多矿物岩石的网格单元随机分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于细观组构模拟的岩石应力松弛性质预测方法，步骤如下：

1、多矿物岩样矿物成分及矿物比例鉴定，具体方法如下：

通过偏光显微镜下的岩石薄片鉴定法对岩样的矿物成分进行鉴定；应用网 格法确定矿物的百分含量：选择岩石新鲜而又平整部位画上网格，统计各矿物 分别占网格总面积的百分比，此百分比即为矿物的百分含量；也可通过X衍射 物相定量分析法对岩样的矿物成分和比例进行鉴定；

2、各单矿物岩样制备，具体方法如下：

采集各单矿物岩样分别加工成直径与高度之比为1：2的圆柱形试样，要 求圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05毫米，以消除岩样离散性的影 响；

3、各单矿物岩样分别进行应力松弛试验，具体方法如下：

采用三轴流变仪进行单轴和三轴的应力松弛试验；围压和轴向应变施加水 平可根据实际岩体的瞬时力学实验结果进行调整，一般地，围压σ₃可取 0～50MPa，轴向应变ε₁可取岩样瞬时抗压强度对应轴向应变的60％～90％；

例如：制作一个直径50mm高度100mm的试样，安置在流变仪中进行试验， 先施加围压σ₃＝5MPa，然后施加轴向应变ε₁并保持恒定，持续加载3～15天， 观测并记录轴向应力σ₁和横向应力σ₃，观测σ₁～t关系曲线和试样破裂情况；

4、建立单矿物岩样的应力松弛模型，具体方法如下：

根据单矿物岩样的应力松弛试验曲线(见图2)，分析松弛特征，建立相应 的应力松弛力学模型；

如果应力松弛曲线表现出完全松弛特性，即应力随时间增长逐渐减小到0， 可以选用Burgers模型，见图3；如果应力松弛曲线表现出不完全松弛特性， 即应力随时间增长逐渐减小到不为0的常数，可以选用西原模型，见图4；

Burgers模型的应力松弛方程为:

$\sigma ={ϵ}_0·\frac{q_2}{p_2(a_1-a_2)}[(\frac{q_1}{q_2}-a_2)·\exp (-a_{2}t)-(\frac{q_1}{q_2}-a_1)·\exp (-a_{1}t)]$

西原模型的应力松弛方程为:

$\sigma =\left(\begin{array}{cc}(E_0-\frac{E_1{E}_0}{E_1+E_0})·{ϵ}_0\exp (-\frac{E_0+E_1}{{\eta }_1}t)+\frac{E_1{E}_0{ϵ}_0}{E_0+E_1}& \sigma <{\sigma }_s\\ \frac{q_2{ϵ}_0}{p_2(a_1-a_2)}[(\frac{q_1}{q_2}-a_2)·\exp (-a_{2}t)-(\frac{q_1}{q_2}-a_1)·\exp (-a_{1}t)]+{\sigma }_s& \sigma \ge {\sigma }_s\end{array}\right)$

其中，$\left(\begin{array}{c}{a}_1=\frac{p_1+\sqrt{p_1^2-4p_2}}{2p_2},a_2=\frac{p_1-\sqrt{p_1^2-4p_2}}{2p_2}\\ p_1=(\frac{{\eta }_2}{E_0}+\frac{{\eta }_2}{E_1}+\frac{{\eta }_1}{E_1}),p_2=\frac{{\eta }_1{\eta }_2}{E_0{E}_1},q_1={\eta }_2,q_2=\frac{{\eta }_1{\eta }_2}{E_1}\end{array}\right)$

5、反演获得单矿物岩样的应力松弛参数，具体方法如下：

根据上述建立的应力松弛模型，采用最小二乘法参数反演方法获得单矿物 岩样的应力松弛参数；即通过不断调整力学参数，使计算曲线逐渐逼近试验曲 线，通过多步迭代计算如果计算曲线与试验曲线吻合较好，拟合误差在设定的 范围之内，即认为该参数为最终所求的应力松弛参数；

6、多矿物岩样按矿物比例的随机几何建模，具体方法如下：

根据实际多矿物岩样的几何尺寸，在数值软件中建立相应的几何模型，并 剖分网格，网格尺寸小于1mm；根据多矿物岩样成分的不同，将网格单元划分 为不同的材料分组，每一个网格单元的材料分组随机设置，但保证所有网格单 元的整体数量按照矿物成分的比例分布；

比如，一种多矿物岩样由三种不同矿物成分A、B、C组成， A:B:C＝5％:75％:20％；如图5所示，A矿物由绿色单元表示，B矿物由蓝色单元 表示，C矿物由红色单元表示，每种矿物的网格单元在整体空间中随机分布， 但三种矿物的网格单元总数等于整个岩样的网格单元数；

7、多矿物岩样的应力松弛性质计算预测，具体方法如下：

将上述步骤获得的单矿物岩石的应力松弛模型和应力松弛参数应用到多 矿物岩样的网格模型中，用数值软件进行应力松弛计算，可以得到多矿物岩样 的应力松弛计算曲线，从而对多矿物岩样的应力松弛性质进行预测。