一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法与流程

本发明涉及岩石力学领域，具体而言，特别涉及一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法。
背景技术：
：岩石是隧道、地下储库等地下工程以及煤、石油天然气、地热等矿产资源的地质载体，其力学性质关系到相关工程的长期稳定性及能源的开采效率。作为一种由多种矿物胶结而成的多孔介质，岩石的微尺度变形—破裂机理及流体输运特性越来越受到研究人员的关注。然而，受限于常规岩石力学设备对岩样尺寸的要求，目前尚无有效的岩石微观强度参数的测试方法。微米压痕实验利用不同形状的微米级金刚石压头压入岩石矿物内部，获取岩石微观矿物的加卸载曲线，进而评价其力学特性。然而由于岩石微观矿物组成及孔隙结构的复杂性和非均质性，目前压痕实验以弹性模量及硬度参数测试为主，尚未有对岩石强度参数(如初始粘聚力及残余粘聚力等)的测量计算方法。针对这一不足，本发明公开了一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法。技术实现要素：本发明的目的在于填补现有微观岩石力学空白，提供一种预测精度高、适用性强的微尺度脆性岩石强度及残余强度的测量计算方法。为实现上述目的，本发明所述脆性岩石破坏形式遵循摩尔—库伦准则及粘聚力弱化—摩擦强化原理；考虑到微米压痕实验的压入深度在微米级别，岩石矿物基本无“粉碎”情况出现，本发明认为该过程中岩石内摩擦角不变。本发明主要包括以下步骤：步骤s1：开展微米压痕实验加载过程压头做功的无量纲分析，微米压痕实验的加载曲线形状函数πi的主要影响参数包括：岩石弹性模量e、压头尖端锥角α、压头尖端半径r、岩石材料的塑性参数fp以及压头与岩石接触区域的微观结构特征fpore，用函数的形式表示为：πi＝fi(e,fp,α,h,r,fpore)(1)加载过程中压头所做功：脆性岩石的矿物骨架是均质、各向同性的，且服从摩尔—库伦准则：其中，τn和σn分别为剪应力和正应力，c和分别为岩石的粘聚力和内摩擦角。在岩石破裂后岩石微尺度的粘聚力和内摩擦角为cr和依据前面理论，当岩石未发生粉碎的条件下，微尺度岩石内摩擦角与岩心尺度测试结果一致，且式(2)可转化为：w＝fi(e,c,cr,α,h,r,fpore)(4)其中压头接触区域的岩石微结构可以通过微ct扫描获取和重建，对于特定形状的压头，依据白金汉π定理对式(4)进行无量纲分析可简化为：选取h/r＝0.1和0.15作为特征压入深度，式(5)可转化为：步骤s2：选取及制备岩心样品，利用微观ct获取岩样的微观结构特征。结合数字岩心建模技术，建立岩石微观骨架与微米压头网格模型。步骤s3：开展岩石微米压痕实验，获取加卸载曲线并依据压痕实验规范求得岩石微尺度弹性模量；计算h/r＝0.1和0.15时的压头做功。步骤s4：基于岩石微米压痕得到的弹性模量，开展不同强度及残余强度条件下岩石微米压痕数值模拟，获取其加卸载曲线；步骤s5：结合数值模拟，计算h/r＝0.1和0.15时的压头做功；并采用三次多项式拟合得到不同强度与残余强度条件下的压头做功值，拟合公式基本形式如下：结合数值模拟数据拟合出系数a1～a4。步骤s6：将实验得到的h/r＝0.1和0.15时的压头做功数值代入拟合得到的公式(7)，以初始粘聚力c和残余粘聚力cr/c为纵横坐标可以绘制出h/r＝0.1和0.15时的两条曲线，交点即为微尺度下该测点岩石矿物的初始粘聚力和残余粘聚力数值。代入公式(3)即可得到岩石的强度及残余强度。与传统技术相比，本发明的有益效果在于：提供了一种可行的、精度高的岩石微尺度强度及残余强度测量计算方法。附图说明为了更清楚地说明本发明方法的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步说明。图1是本发明所述的岩石微尺度强度及残余强度测量计算方法流程图。图2是本发明实施例提供的一个岩样s1制样及微ct所描过程所采用的设备。图3是本发明实施例提供的岩样s1微观骨架重建模型及圆锥形平头压头模型示意图。图4是本发明实施例提供的岩样s1微米压痕实验加卸载曲线图。图5是本发明实施例提供的岩样s1在不同强度特征下的典型微米压痕数值模拟加载曲线。图6是本发明实施例提供的不同强度及残余强度条件下岩样s1的w/ch3和cr/e的关系曲线。图7是本发明实施例提供的岩样s1微观粘聚力及残余粘聚力的求解示意图。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、达成目的和模型功效易于说明，下面结合附图及实施例，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。需要知悉的是，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。图1是本发明所述的岩石微尺度强度及残余强度测量计算方法流程图，包括以下步骤：步骤s1：基于白金汉π定理，依据微米压痕实验的加载曲线形状函数πi主要受约束于岩石弹性模量e、压头尖端锥角α、压头尖端半径r、岩石材料的塑性参数fp以及压头与岩石接触区域的微观结构特征fpore，开展微米压痕实验加载过程压头做功的无量纲分析，求出脆性岩石微米压痕实验过程中压头做功的无因次函数为：从而建立岩石微米压痕实验加卸载曲线与岩石微尺度弹塑性参数的函数关系。步骤s2：从原始岩样上钻取直径为5mm的小岩芯柱子s1(如图2a所示)，利用图2b所示的氩离子抛光对样品表面进行抛光使其上下表面水平、光滑；将样品在干燥箱内保持65℃温度干燥12小时后，利用图2c所示的微观ct获取其微观结构图像；样品s1的三维微观ct图像如图2d所示。重建微米压痕区域的岩石骨架模型(模型尺寸750×750×375μm)及实验采用的微米圆锥形平头压头(锥角为60°，平头半径为100μm)模型，如图3所示。步骤s3：利用制备的岩样s1开展岩石微米压痕实验，采用位移控制加载方式，最大加载位移为15μm，实验得到的压头加卸载曲线见图4所示。获取加卸载曲线并依据压痕实验规范求得岩石微尺度弹性模量为17.8gpa；计算h/r＝0.1和0.15时压头做功大小。步骤s4：将重建模型导入mimics软件实现网格划分，基于岩石微米压痕实验得到的弹性模量，利用ansys软件开展岩石微米压痕数值模拟。压头与岩石表面满足库仑定律，摩擦系数为0.15，岩石泊松比依据平行样品的岩石力学测试结果。岩石破坏准则采用摩尔—库伦准则，岩石破坏前后的内摩擦角为46°，由室内常规三轴实验确定。岩样的粘聚力输入参数为[14,18.5]mpa，残余粘聚力与初始粘聚力的比值在区间[0.3,0.65]之内。模拟得到s1在不同强度特征下的典型加载曲线如图5所示。步骤s5：计算数值模拟得到的h/r＝0.1和0.15时的压头做功w。分别以w/ch3和c/e为纵横坐标绘制两者的关系曲线如图6所示。采用三次多项式拟合数值模拟得到的不同强度与残余强度条件下的压头做功值，拟合公式基本形式为：结合数值模拟数据拟合出系数a1～a4，如表1所示，由此建立起不同强度及残余强度条件下w/ch3和c/e的函数关系式。表1.岩样s1的a1～a4拟合系数(a)h/r＝0.1(b)h/r＝0.15cr/ca1a2a3a4r20.312.591015.41040.774540.036930.999020.3514.17286.102280.875340.041820.998730.415.478876.652990.952770.045450.998510.4518.116357.784751.114660.053170.997950.522.043089.445511.348720.064160.997670.5522.574859.661561.377880.065460.997870.620.321788.697931.240480.058930.998470.6519.920198.526551.216080.057770.99864步骤s6：将实验得到的h/r＝0.1和0.15时压头做功数值代入拟合得到的公式(7)，以初始粘聚力c和cr/c为纵横坐标可以绘制出如图7所示的当h/r＝0.1和0.15时的两条曲线，交点即为微尺度下该测点岩石矿物的初始粘聚力和残余粘聚力数值，代入摩尔—库伦准则即可得到岩石的强度及残余强度。以上所述仅为本发明的较佳实施例，用于描述本发明的基本原理、特征和主要优点，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12