基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法
【專利摘要】本發明屬于巖土工程領域，具體地，涉及一種基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法?；诩氂^組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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；(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計算預測。本發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】基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于巖土工程領域，具體地，涉及一種基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質 預測方法。
【背景技術】
[0002] 21世紀是地下工程的世紀，國內外地下水電站、大型礦山巷道、地下鐵道、過江隧 道、地下石油儲備洞庫等，都在大規模興建，而這些巖體工程的長期穩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。因此，巖石的蠕變性質對于工程穩定是一個十分重 要的問題。
[0003] 目前國內外對于多礦物組成巖石蠕變性質的研究是一個難點，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 到其蠕變性質也有差異。
[0004] 為此，本發明提供一種基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法。該發法先通 過試驗得到每種單礦物巖石的蠕變性質，再根據巖石中各種礦物組成的比例，通過數值模 擬方法計算得到多礦物巖石整體蠕變力學性質，有望在工程巖體蠕變變形預測方面取得較 好地結果。
[0005] 目前國內相關巖石蠕變性質研究方法的研究現狀如下：
[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的反演，第二 部分用于模型預測數據的檢驗；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進行預測；
[0007] 2、《剛性承壓板下深部巖體壓縮蠕變參數反演》一文介紹了一種通過現場大型剛 性承壓板壓縮蠕變試驗研究巖體蠕變性質的方法（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的巖體表面施加持續的 壓縮荷載，研究現場巖體的蠕變性質，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域的蠕變力學性質，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實時成像系統記錄 巖石蠕變過程中裂紋擴展破壞來推測巖石蠕變性質的方法（參見江西理工大學碩士論文， 作者翟有經），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值模擬研究》一文介紹了一種采 用二維顆粒流數值模擬方法（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。
【發明內容】
[0010] 為克服現有技術的不足，本發明提供一種基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測 方法。
[0011] 為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：
[0012] 基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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
[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計算預測。
[0020] 相對于現有技術，本發明具有如下有益效果：
[0021] 1、以單礦物巖石的蠕變性質及礦物比例為基礎，計算獲得多礦物巖石的蠕變性 質，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為基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法流程示意圖；
[0024] 圖2為蠕變曲線性質示意圖；
[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，基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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格，統計各礦物分別占網格總面積 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 據實際巖體的瞬時力學實驗結果進行調整，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，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. 一種基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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 (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計算預測。
2. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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 部位畫上網格，統計各礦物分別占網格總面積的百分比，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. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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實際巖體的瞬時力學實驗結果進行調整，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. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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，可以選用西原模型。
6. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，其特征在于， 反演獲得單礦物巖樣的蠕變參數，具體方法如下：根據上述建立的蠕變模型，采用最小二乘 法參數反演方法獲得單礦物巖樣的蠕變參數；即通過不斷調整力學參數，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，即認為該參數為最終所求的蠕變參數。
7. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，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：根據實際多礦物巖樣的幾何尺寸， 在數值軟件中建立相應的幾何模型，并剖分網格，網格尺寸小于1_ ;根據多礦物巖樣成分 的不同，將網格單元劃分為不同的材料分組，每一個網格單元的材料分組隨機設置，但保證 所有網格單元的整體數量按照礦物成分的比例分布。
8. 根據權利要求1所述的基于細觀組構模擬的巖石蠕變性質預測方法，其特征在于， 多礦物巖樣的蠕變性質計算預測，具體方法如下：將上述步驟獲得的單礦物巖石的蠕變模 型和蠕變參數應用到多礦物巖樣的網格模型中，用數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 優先權日:2014年10月11日
【發明者】楊文東, 張玉, 俞然剛 申請人:中國石油大學(華東)
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