一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法技术

本发明专利技术属于岩石物理性质技术领域，针对岩石微缺陷对岩石力学性质和变形性质产生明显的影响，本发明专利技术具体涉及一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，具体包括如下步骤：(1)通过在二维离散元颗粒单元中加入微孔和微裂缝单元构建含微缺陷岩石模型；(2)在巴西劈裂加载模式下得出岩石次生微裂缝网络和宏裂缝的开度和走向；(3)计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域，实现岩石损伤区域分析。本发明专利技术能够准确计算出含微缺陷岩石拉伸损伤区域的位置，从而帮助室内实验和工程应用中了解含微缺陷岩石的断裂机理。和工程应用中了解含微缺陷岩石的断裂机理。和工程应用中了解含微缺陷岩石的断裂机理。

【技术实现步骤摘要】
一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法


[0001]本专利技术属于岩石物理性质
，具体涉及一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法。

技术介绍

[0002]巴西劈裂实验是国际岩石力学协会(ISRM)推荐的一种间接测量岩石抗拉强度和断裂特性的一种方法。通过在推荐尺寸的圆柱形岩样的上下两端施加线性载荷，使岩石沿垂向方向发生拉伸破坏。由于巴西劈裂方法在测量岩石抗拉强度和拉伸裂缝走向上具有实验简单和材料构型方便的特点，所以在室内试验和工程建造等进行广泛的使用。巴西劈裂实验的应力分布如图1所示。加载过程中在岩石上下加载点附近σ
y
的压应力较大，在岩石中心位置压应力数值明显减少。σ
x
方向的拉应力在岩石中心很长一段距离上呈现均匀分布。虽然岩石的拉应力数值小于岩石的压应力，但由于岩石的拉伸强度通常远小于抗压强度，导致岩石受到x方向拉应力而发生垂向的拉伸破裂。岩石中心出现劈裂裂缝。
[0003]离散元方法由Cundall和Strack首次提出，是经典的解决不连续介质力学问题的数值模拟方法。通过在圆形或多边形颗粒施加多种接触来模拟真实加载过程颗粒间的相互作用。利用不同的断裂准则和屈服准则模拟颗粒间的相互破裂。随着离散元方法的快速发展，已经在实际工程应用中扮演越来越关键的作用。
[0004]目前已经开展大量基于离散元方法的巴西劈裂加载下岩石断裂的模拟。尤其是针对含缺陷的一些岩石或者混凝土进行抗拉强度和裂缝开裂特性的研究。上述研究通过在模型内部设置大孔或者层理方向等模拟岩石的大缺陷，而自然界中岩石存在大量矿物颗粒尺度的微孔和微裂缝等微缺陷。众多研究结果也表明岩石微缺陷对岩石力学性质和变形性质产生明显的影响。所以有必要构建含微孔和微裂缝岩石模型，研究巴西劈裂实验中含微缺陷岩石损伤区域的变化。
[0005]单孔、多孔和层理是现有岩石和混凝土模型中常见缺陷。如图2所示为不同的岩石缺陷下劈裂裂缝的发育走向。上述构建的岩石模型在巴西劈裂加载模式下岩石的损伤区域和无缺陷岩石完全不同。所以缺陷形式和大小的变化对岩石的拉伸力学性质和次生裂缝生长都产生明显的影响。因此，如何研发一种针对岩石拉伸损伤区域的新型计算方法，准确得出次生微裂缝和宏裂缝的生长区域和路径，为工程实际应用提供参考，具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法。该方法能够给出含微孔和微裂缝岩石在巴西劈裂加载后次生微裂缝分布和宏裂缝的走向。从而可以预测含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域。为实际工程应用中预防和解决含微缺陷岩石拉伸破裂提供帮助。
[0007]本专利技术采取的技术方案为：
[0008]一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，具体包括如下步骤：
[0009](1)通过在二维离散元颗粒单元中加入微孔和微裂缝单元构建含微缺陷岩石模型；
[0010](2)在巴西劈裂加载模式下得出岩石次生微裂缝网络和宏裂缝的开度和走向；
[0011](3)计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域，实现岩石损伤区域分析。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中构建含微缺陷岩石模型的具体步骤如下：
[0013]在颗粒i边界的节点上设置法向弹簧刚度和切向弹簧刚度边界长度为l
i
，模型加载过程中，相接触颗粒节点间的相对法向位移和相对切向位移通过公式(1-2)得出颗粒法向作用力F
in
和切向作用力F
is
：
[0014][0015][0016]当颗粒边界受到的拉伸应力σ
i
超过拉伸强度σ
n
，岩石形成Ⅰ型断裂次生微裂缝，公式(3)W
i
为颗粒边界的应变能，利用公式(4)摩尔库伦准则判断颗粒之间的剪切作用力τ
i
是否超过剪切强度τ
n
，从而形成剪切裂缝，c为粘聚强度，剪切裂缝出现在相互接触的两个颗粒之间；
[0017][0018]W
i
＝0 σ
i
＞σ
n
ꢀꢀꢀ
(3)
[0019]τ
n
＝σ
n
×
tanθ+c
ꢀꢀꢀ
(4)
[0020]进一步的，所述步骤(1)中构建含微缺陷岩石模型，含微缺陷岩石模型内部设置微孔和微裂缝，其中，微孔是指在岩石模型中散布一定孔径的小孔；微裂缝指在岩石模型中设置开度、平均长度一定的原生微裂缝；
[0021]巴西劈裂加载过程中岩石垂直方向受到压缩载荷，微孔和微裂缝边界极易发生“小范围”接触，即微缺陷边界小角度、小距离的相互侵入，通过计算接触边界两端节点的位置关系，求解颗粒间的相互作用，同时模型考虑了接触时微孔和微裂缝边界出现磨损的影响，公式(5-7)为微缺陷接触时，求解颗粒边界产生的力F
id
、力矩和边界的应变能W
id
，
[0022][0023][0024][0025]其中，颗粒i微缺陷的接触边界长度为l
id
，颗粒边界的两节点与接触颗粒边界的垂
向距离分别为h1和h2，与颗粒质心距离分别为s1和s2，微缺陷边界的摩擦系数μ
i
，磨损系数W
c
，弹簧减弱系数W
s
。
[0026]进一步的，所述步骤(1)中微孔和微裂缝单元在加载过程发生颗粒闭合，传递颗粒之间的力和力矩，在构建微孔和微裂缝岩石中利用分布和数量实现对岩石指定位置构建微缺陷区域。
[0027]进一步的，所述步骤(2)中通过岩石次生微裂缝网络明确岩石在受拉伸应力时的损伤区域，同时依据宏裂缝的开度和走向，得到岩石在受到加载载荷时主裂缝宽度和延伸方向。
[0028]进一步的，所述步骤(3)中采用微孔模型计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域的具体步骤为：在微孔模型中构建孔含量，孔含量表示为孔面积与岩石全部面积的比值，孔含量p分布设置为0.007、0.028、0.062和0.11 的四种岩石模型，平均孔径0.3mm，岩石模型直径25mm。
[0029]更进一步的，所述孔含量p＝0.007,在微裂缝集中汇聚出裂缝的两侧存在面积较大的损伤区域。表明微孔数目较少时，拉伸破碎区主要由次生微裂缝网络形成。次生微裂缝的不断拉伸闭合最终汇聚成宏裂缝。
[0030]所述孔含量p＝0.11，次生微裂缝主要出现在宏裂缝汇聚的路径上，拉伸破碎区域内的次生微裂缝萌生范围明显减少。表明岩石模型微孔数目增加,次生微裂缝在破碎区内主要起到连接和补充的作用。观察岩石模型的宏裂缝可知微孔的存在影响着裂缝的走向。当岩石孔含量较低，导致微孔间距较大。微孔间的裂缝很难相互连接形成完整的裂缝。孔含量进一步增加，微孔之间距离减小。裂缝整体由岩石中心较大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)通过在二维离散元颗粒单元中加入微孔和微裂缝单元构建含微缺陷岩石模型；(2)在巴西劈裂加载模式下得出岩石次生微裂缝网络和宏裂缝的开度和走向；(3)计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域，实现岩石损伤区域分析。2.根据权利要求1所述一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，其特征在于，所述步骤(1)中构建含微缺陷岩石模型的具体步骤如下：在颗粒i边界的节点上设置法向弹簧刚度和切向弹簧刚度边界长度为l
i
，模型加载过程中，相接触颗粒节点间的相对法向位移和相对切向位移通过公式(1-2)得出颗粒法向作用力F
in
和切向作用力F
is
：：当颗粒边界受到的拉伸应力σ
i
超过拉伸强度σ
n
，岩石形成Ⅰ型断裂次生微裂缝，公式(3)W
i
为颗粒边界的应变能，通过公式(4)摩尔库伦准则判断颗粒之间的剪切作用力τ
i
是否超过剪切强度τ
n
，从而形成剪切裂缝，c为粘聚强度，剪切裂缝出现在相互接触的两个颗粒之间；W
i
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
σ
i
＞σ
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)τ
n
＝σ
n
×
tanθ+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)3.根据权利要求1所述一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，其特征在于，所述步骤(1)中构建含微缺陷岩石模型，含微缺陷岩石模型内部设置微孔和微裂缝，其中，微孔是指在岩石模型中散布一定孔径的小孔；微裂缝指在岩石模型中设置开度、平均长度一定的原生微裂缝；巴西劈裂加载过程中岩石垂直方向受到压缩载荷，微孔和微裂缝边界发生微缺陷接触，通过计算接触边界两端节点的位置关系，求解颗粒间的相互作用，同时模型考虑了接触时微孔和微裂缝边界出现磨损的影响，下述公式(5-7)为微缺陷接触时，求解颗粒边界产生的力F
id
、力矩和边界的应变能W
id
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑思平，林缅，江文滨，姬莉莉，曹高辉，徐志朋，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：