一种确定岩石初始损伤程度的方法技术

本发明专利技术提供了一种确定岩石初始损伤程度的方法，属于岩石损伤程度的确定方法领域。该确定岩石初始损伤程度的方法，包括：将工程现场的岩样加工成试样，对试样进行单轴压缩试验，获得该试样的应力

【技术实现步骤摘要】
一种确定岩石初始损伤程度的方法


[0001]本专利技术涉及岩石损伤确定方法，特别涉及一种确定岩石初始损伤程度的方法。

技术介绍

[0002]岩石在漫长复杂的成岩过程中及外界各种复合扰动如温度、湿度、高地应力作用下，其内部或多或少会产生孔隙、裂隙、节理弱面、断层等原生缺陷，致使岩石具有初始损伤。相较于理想完整无损岩块，这些初始缺陷或弱结构面在岩石基体内部交错分布，不仅改变了其宏观变形力学参数如弹性模量、抗压强度等，更对其损伤演变过程及本构关系产生显著影响。因此，确定岩石初始损伤程度对深刻理解岩石变形破坏过程具有重要意义。
[0003]目前，针对岩石损伤演化方面的研究，大多假设岩石初始状态无损伤，这显然与实际情况不符。因此，亟需研制出一种确定岩石初始损伤程度的方法。

技术实现思路

[0004]经研究，专利技术人发现：从岩石应力
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应变曲线上看，正是这些原生初始缺陷的存在导致应力
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应变曲线前期的非线性变形，且岩石初始损伤程度越高，非线性特征越强烈，弹性模量也相应降低。从能量演化角度看，岩石压缩变形破坏过程实质上是外界能量输入、可释放弹性能积聚及能量耗散的一系列复杂演化过程。从岩石破裂过程的细观角度看，其变形破坏过程又是内部原生微缺陷压缩闭合、新裂纹萌生及新旧微裂纹不断发展并最终汇通形成宏观裂缝的过程。而耗散能的演化过程恰好代表并反映了岩石内部微缺陷及损伤程度演变规律。故岩石初始压密阶段由于初始缺陷压缩闭合产生的摩擦作用会消耗部分能量，该阶段耗散的能量反应了岩石初始损伤程度。基于此，本专利技术提出了一种确定岩石初始损伤程度的方法。
[0005]为实现本专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供了一种确定岩石初始损伤程度的方法，包括如下步骤：步骤100：将工程现场取回的岩样加工成试样，对试样进行单轴压缩试验，获得该试样的应力
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应变曲线及弹性模量E；步骤200：根据已建立的理论本构模型得到该试样的单轴压缩条件下应力
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应变全过程曲线；步骤300：根据步骤200中得到的理论应力
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应变全过程曲线，结合能量计算公式可得到总能量、弹性能和耗散能演化曲线；步骤400：根据步骤300中的耗散能演化曲线可确定岩石初始压密阶段的耗散能以及岩石最终破坏时刻总耗散能，根据公式 ，其中，为岩石初始损伤程度，为裂纹完全闭合后的总耗散能，
即可确定岩石初始损伤程度。
[0006]根据本专利技术的一实施方式，其中，所述试样是将所述岩样按照国际岩石力学学会标准加工成直径为50mm、高度为100mm的标准圆柱体。
[0007]根据本专利技术的一实施方式，其中，所述弹性模量E为所述试样的应力
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应变曲线中弹性变形阶段曲线的斜率。
[0008]根据本专利技术的一实施方式，其中，所述理论本构模型为：，式中，为单轴方向上的主应力，MPa；为主应力方向上的应变；为裂纹闭合应变，根据应力
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应变曲线弹性阶段反向延长线与横坐标轴的交点确定；为裂纹闭合阶段的等效弹性模量，根据裂纹应变
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应力曲线拟合结果求得，MPa；E为弹性模量，MPa，是应力
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应变曲线线性段斜率；D为损伤变量，参数b和γ是利用损伤演化方程对损伤变量演化曲线拟合获得的结果；为裂纹闭合应力对应的轴向应变值。
[0009]根据本专利技术的一实施方式，其中，所述能量计算公式为单轴压缩条件下的能量公式：，，，，式中，为岩石总共吸收的能量，MJ/m3；为岩石变形过程中内部储存的弹性应变能，MJ/m3；为加载过程中释放耗散的能量，MJ/m3；为单轴方向上的主应力，MPa；为主应力方向上的应变；
E为卸载弹性模量，此处取弹性段峰值强度50%
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60%处的弹性模量代替。
[0010]本专利技术中的一个实施例具有如下优点或有益效果：本专利技术的确定岩石初始损伤程度的方法，包括：将工程现场的岩样加工成试样，对试样进行单轴压缩试验，获得该试样的应力
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应变曲线及弹性模量E；得到该试样的单轴压缩条件下应力
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应变全过程曲线；结合能量计算公式可得到总能量、弹性能和耗散能演化曲线；确定岩石初始压密阶段的耗散能以及岩石最终破坏时刻总耗散能，计算获得岩石初始损伤程度值。通过本专利技术能够深刻理解岩石变形破坏过程，以利于获得合理的岩石力学参数。
附图说明
[0011]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本专利技术的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
[0012]图1是根据一示例性实施方式示出砂岩单轴压缩过程中能量演化示意图；图2是根据一示例性实施方式示出基于变模量衰减法获得损伤变量示意图；图3是根据一示例性实施方式示出损伤演化曲线及拟合结果示意图；图4是根据一示例性实施方式示出砂岩单轴压缩应力
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应变曲线拟合结果示意图；图5是根据一示例性实施方式示出砂岩理论能量演化全过程的示意图。
具体实施方式
[0013]现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本专利技术将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
[0014]用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
[0015]如图1
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图5所示，图1是根据一示例性实施方式示出砂岩单轴压缩过程中能量演化示意图。图2是根据一示例性实施方式示出基于变模量衰减法获得损伤变量示意图。图3是根据一示例性实施方式示出损伤演化曲线及拟合结果示意图。图4是根据一示例性实施方式示出砂岩单轴压缩应力
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应变曲线拟合结果示意图。图5是根据一示例性实施方式示出砂岩理论能量演化全过程的示意图。
[0016]专利技术人发现，耗散能的演化过程恰好代表并反映了岩石内部微缺陷及损伤程度演变规律。岩石初始压密阶段由于初始缺陷压缩闭合产生的摩擦作用会消耗部分能量，故该阶段耗散的能量反应了岩石初始损伤程度。基于此，本专利技术提出了一种确定岩石初始损伤程度的方法。
[0017]岩石在外界荷载作用过程中发生能量输入、可释放弹性应变能的储存以及能量的耗散释放。根据能量守恒定律，复杂应力状态下单位体积岩石的能量转化满足如下关系：
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（1）
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（2）（3）
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（4）式中：为岩石总共吸收的能量，单位MJ/m3；为岩石变形过程中内部储存的弹性应变能，MJ/m3；为加载过程中释放耗散的能量，单位MJ/m3；、、（i，j，k=1，2，3）分别为三个方向上的主应力，单位MPa；（i=1，2，3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定岩石初始损伤程度的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100：将工程现场取回的岩样加工成试样，对试样进行单轴压缩试验，获得该试样的应力
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应变曲线及弹性模量E；步骤200：根据已建立的理论本构模型得到该试样的单轴压缩条件下应力
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应变全过程曲线；步骤300：根据步骤200中得到的理论应力
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应变全过程曲线，结合能量计算公式可得到总能量、弹性能和耗散能演化曲线；步骤400：根据步骤300中的耗散能演化曲线可确定岩石初始压密阶段的耗散能以及岩石最终破坏时刻总耗散能，根据公式 ，式中，为岩石初始损伤程度，为裂纹完全闭合后的总耗散能，即可确定岩石初始损伤程度。2.根据权利要求1所述的确定岩石初始损伤程度的方法，其特征在于，所述试样是将所述岩样按照国际岩石力学学会标准加工成直径为50mm、高度为100mm的标准圆柱体。3.根据权利要求1所述的确定岩石初始损伤程度的方法，其特征在于，所述弹性模量E为所述试样的应力
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应变曲线中弹性变形阶段曲线的斜率。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬桥，郭允朋，李杰宇，凌凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：