一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法，涉及岩石力学数值模拟领域；以解决岩石天然裂纹的预制问题和更加真实的揭示不同矿物晶体之间天然裂纹如何影响多晶体之间的力学行为，采用UDEC软件建立岩石的晶粒，建立不同天然裂纹发育程度的多晶体岩石模型；并利用不同晶粒的热力学性质的差异，通过热传递和热应力梯度在模型内部产生的热应力诱发晶粒间或晶粒内的裂纹发育；通过设置晶粒模型接触的微观强度参数以及温度梯度分布情况，模拟生成多晶体岩石试样的天然裂纹网络；对于已生成裂纹网络的离散元模型，进行所有参数和变形应力场的初始化，建立最终的含天然裂纹网络的岩石晶粒模型。含天然裂纹网络的岩石晶粒模型。含天然裂纹网络的岩石晶粒模型。

【技术实现步骤摘要】
一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学数值模拟领域，尤其涉及一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]自然界的岩石中往往存在着各种细微观裂纹，即天然裂纹。天然裂纹的存在极大地影响着岩石的受力变形和破坏行为。在外力的作用下，岩石内部的天然裂纹会继续拓展、贯通，最终改变岩石的渐进失稳过程。因此，研究岩石中天然裂纹对研究岩石受力变形和破坏过程的影响机制有重要的意义。
[0003]然而，在实验室中很难实现对天然裂纹的预制。龙士国等人提出了一种利用超声波实时检测受载岩石裂纹演变的方法，但忽略了岩石天然裂纹的拓展变化过程。为解决天然裂纹预制的问题，实验室尺度无法完成有效监测，而数值模拟方法可以有效解决此类问题。本成果利用离散单元法更加真实得模拟遍布于岩石中的天然裂纹，为理解天然裂纹对岩石受力变形和破坏的影响提供切实可行的研究依据。
[0004]崔昊等人提出了一种基于RKPM
‑
PD耦合算法的岩石裂纹扩展预测方法，但此方法并未考虑多晶体对岩石裂纹扩展的影响。尤其对于多晶体岩石，不同矿物晶体之间的相互作用更为显著，为更加真实地揭示不同矿物晶体之间的天然裂纹如何影响晶体之间的力学行为，需要建立一个能模拟具有一定张开度的天然裂纹的数值模型。

技术实现思路

[0005]为了解决岩石天然裂纹的预制问题和更加真实的揭示不同矿物晶体之间天然裂纹如何影响多晶体之间的力学行为，本专利技术提供了一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法，模拟天然裂纹张开、闭合的变形行为，为理解天然裂纹对岩石受力变形和破坏的影响提供切实可行的数值模拟方法。
[0006]为实现上述目的，采用的技术方案为：
[0007]一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法，包括如下步骤：
[0008]S1：切割打磨多晶体岩石试样，进行单轴压缩试验直至岩样破坏，获得多晶体岩石试样的应力应变关系曲线，并对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，确定多晶体岩石试样矿物组分的定量信息；
[0009]S2：利用二维离散单元软件UDEC，建立多晶体岩石离散元模型，利用Voronoi(泰森多边形)命令生成晶粒模型；并将多晶体岩石离散元几何模型中晶粒进行遍历；
[0010]S3：对多晶体岩石的离散元模型边界施加热载荷，通过产生的热应力诱发裂纹的产生和拓展；
[0011]S4：将产生热应力裂纹的多晶体岩石的离散元模型进行温度场、应力场、位移场的初始化，以模拟岩石初始状态下的天然裂纹；
[0012]S5：将初始化后的多晶体岩石的离散元模型进行单轴压缩测试，获取应力应变关
系曲线，并对比S1中的应力应变关系曲线，通过反分析法，调整S3中的热载荷，进行S4中的模拟岩石初始状态下的天然裂纹，往复直至模拟得到与S1中多晶体岩石试样相符的应力应变曲线。
[0013]所述切割打磨多晶体岩石试样为圆柱形。
[0014]所述矿物成分分析，利用X射线衍射(XRD)技术对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，获取多晶体岩石试样中不同矿物成分所占比例。
[0015]所述S2还包括，按矿物组分的定量信息，将遍历到的晶粒按照相应的矿物种类和比例进行随机分组，将晶粒定义为相应的矿物晶粒，并设定矿物晶粒参数，包括本构模型，和不同矿物热力学性质及参数。
[0016]所述多晶体离散元模型，建立多晶体岩石试样竖直截面的等尺寸1：1模型。
[0017]所述本构模型，将Voronoi块体设定为弹性本构模型，块体接触本构关系设定为摩尔
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库伦滑移模型，残余抗拉强度和内聚力设定为0。
[0018]所述不同矿物热力学性质及参数包括比热容、热导系数、线性热膨胀系数，晶粒接触抗拉强度和抗剪强度参数。
[0019]所述S3具体包括以下步骤：
[0020]S3.1：将多晶体岩石的离散元模型的边界位移固定，模拟多晶体岩石试样在实验室放置在平面上的状态，并在多晶体岩石的离散元模型的上下左右边界施加热载荷；
[0021]S3.2：对热载荷进行控制，根据生成裂纹的规模和发育程度确定恒定边界温度或非恒定边界温度，在持续加热的过程中，产生的热应力诱发裂纹的产生和拓展。
[0022]有益技术效果
[0023]1、本专利技术采用UDEC软件建立岩石的晶粒，建立不同天然裂纹发育程度的多晶体岩石模型；并利用不同晶粒的热力学性质的差异，通过热传递和热应力梯度在模型内部产生的热应力诱发晶粒间或晶粒内的裂纹发育；通过设置晶粒模型接触的微观强度参数以及温度梯度分布情况，就可以模拟生成多晶体岩石试样的天然裂纹网络；对于已生成裂纹网络的离散元模型，进行所有参数和变形应力场的初始化，建立最终的含天然裂纹网络的岩石晶粒模型。
[0024]2、本专利技术能够利用热应力对多晶体岩石的天然裂纹形态和变形进行数值表征，可应用于不同离散元模型中含天然裂纹的初始晶粒模型的构建。
[0025]3、本专利技术具有原理简单、操作清晰、成本低廉的特点，为离散元晶粒模型更真实地模拟天然裂纹提供了新方法。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例提供的一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法流程图；
[0027]图2为本专利技术实施例提供的多晶体岩石试样单轴压缩的应力应变曲线图；
[0028]图3本专利技术实施例提供的利用UDEC生成的Voronoi几何图形及相应的花岗岩晶粒模型示意图；
[0029]图4本专利技术实施例提供的施加热载荷示意图；
[0030]图5本专利技术实施例提供的施加热载荷后的晶粒预制裂纹结果示意图；
[0031]图6本专利技术实施例提供的预制裂纹的晶粒模型单轴压缩模拟结果示意图。
具体实施方式
[0032]为了进一步了解本专利技术，下面结合具体图片和实施例对本专利技术作更为详细的描述，进一步阐述本专利技术。
[0033]本实施例提供一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0034]S1：切割打磨多晶体岩石试样，进行单轴压缩试验直至岩样破坏，获得多晶体岩石试样的应力应变关系曲线，并对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，确定多晶体岩石试样矿物组分的定量信息；
[0035]所述切割打磨多晶体岩石试样为圆柱形；
[0036]所述矿物成分分析，利用X射线衍射(XRD)技术对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，获取多晶体岩石试样中不同矿物成分所占比例；
[0037]本实施例中，通过石材厂获取多晶体岩石花岗岩试样，加工切割并打磨成标准的直径50mm、高度100mm的圆柱形状试样，进行花岗岩试样的单轴压缩试验直至试样破坏，获得花岗岩试样从压密阶段到完全破坏峰后的应力应变关系曲线，如图2所示；
[0038]收集破坏后的花岗岩试样，利用X射线衍射(XRD)技术，将S1中的花岗岩试样进行矿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：切割打磨多晶体岩石试样，进行单轴压缩试验直至岩样破坏，获得多晶体岩石试样的应力应变关系曲线，并对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，确定多晶体岩石试样矿物组分的定量信息；S2：利用二维离散单元软件UDEC，建立多晶体岩石离散元模型，利用Voronoi命令生成晶粒模型；并将多晶体岩石离散元几何模型中晶粒进行遍历；S3：对多晶体岩石的离散元模型边界施加热载荷，通过产生的热应力诱发裂纹的产生和拓展；S4：将产生热应力裂纹的多晶体岩石的离散元模型进行温度场、应力场、位移场的初始化，以模拟岩石初始状态下的天然裂纹；S5：将初始化后的多晶体岩石的离散元模型进行单轴压缩测试，获取应力应变关系曲线，并对比S1中的应力应变关系曲线，通过反分析法，调整S3中的热载荷，进行S4中的模拟岩石初始状态下的天然裂纹，往复直至模拟得到与S1中多晶体岩石试样相符的应力应变曲线。2.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法其特征在于：所述切割打磨多晶体岩石试样为圆柱形。3.如权利要求1所述的利用热应力生成多晶体岩石天然裂纹的数值模拟方法其特征在于：所述矿物成分分析，利用X射线衍射(XRD)技术对已破坏的多晶体岩石试样进行矿物成分分析，获取多晶体岩石试样中不同矿物成分所占比例。4.如权利要求1所述的利用热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，邹岩琳，庞瑞，刘造保，陈林，汪昕，庞博学，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：