一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及材料力学性质及裂纹演化规律技术领域，具体涉及一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，包括观察材料薄层理片状堆迭结构，获得层状材料物理力学参数；根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型；根据所述层状材料物理力学参数，对所述薄层理片状堆迭结构数值计算模型进行参数标定，得到标定模型；基于所述标定模型对外部墙体单元施加速度模拟加载的过程，计算并导出薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果，解决了现有层状材料数值计算模型不符合薄层理堆迭结构形式、使得数值模拟工作面临较大困难的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及材料力学性质及裂纹演化规律
，尤其涉及一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法。

技术介绍

[0002]离散元方法(DiscreteElementMethod,DEM)是解决固体材料变形、破坏、断裂和稳定性问题的一种重要数值模拟手段。现有的层状岩石材料离散元数值模型普遍借鉴了两相复合材料的建模方式，即构建两种具有不同力学性能的颗粒介质，基质和层理间隔分布，其中力学性能较强的一层为基质，力学性能较弱的一层为层理，且一般而言，基质与层理均较厚并具有相同的厚度。在此基础上，大量现有模型依托颗粒流软件(Particle Flow Code,PFC)的平行粘结模型(BPM)模拟基质部分、光滑节理模型(SJM)模拟层理部分。近几年，该模型已被广泛地用于研究层状材料宏观力学性质、裂缝演化行为及破坏模式等。
[0003]但现有层状岩石材料模型普遍不适用于薄层理堆迭层状材料，不能再现矿物组分对其力学性质、裂纹扩展行为的影响规律，且由于采用BPM和SJM两种不同的接触模式，使得现有模型结构复杂，细观参数多，数值模拟工作面临较大困难。为此，急需建立新的数值计算模型，使其更符合薄层状堆迭结构，并简化计算过程。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，旨在解决现有模型与薄层理堆迭结构不符且未考虑矿物组分的问题，同时解决数值模拟工作面临较大困难的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，包括以下步骤：
[0006]通过宏、细观测试手段获得岩石薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，测试层状岩石材料物理力学参数；
[0007]根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型；
[0008]根据所述层状岩石材料物理力学参数，对所述考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型进行参数标定，得到标定模型；
[0009]基于所述标定模型对外部墙体单元施加速度模拟加载的过程，计算并导出薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果。
[0010]其中，所述通过宏、细观测试手段获得岩石薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，测试层状岩石材料物理力学参数，包括：
[0011]观察岩石材料薄层理片状堆迭结构，得到层理分布及朝向数据以及微观矿物组分分布特征，测试矿物组分类型及含量；
[0012]基于所述观察数据将层状岩石材料制作成试件；
[0013]测试所述试件的几何尺寸、质量、密度、孔隙率、微观力学参数以及应力
‑
应变曲线、峰值荷载、强度、弹性模量和应变宏观力学参数，得到层状岩石材料物理力学参数。
[0014]其中，所述细观测试手段包括物理测试、XRD射线衍射分析、SEM电镜扫描和室内单轴压缩试验测。
[0015]其中，所述根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型，包括：
[0016]依托离散元方法通过四方晶格的形式堆砌颗粒获得特定朝向的计算模型；
[0017]基于所述计算模型，根据所述岩石矿物组分特征，结合二次自定义随机块生成算法，建立考虑不同矿物组分类型、含量、分布特征的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型。
[0018]其中，所述薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果包括应力
‑
应变曲线、力学性质、裂纹演化和能量释放曲线。
[0019]其中，在步骤基于所述标定模型对外部墙体单元施加速度模拟加载的过程，计算并导出薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果之后，所述方法还包括：
[0020]基于所述应力
‑
应变曲线、所述力学性质、所述裂纹演化和所述能量释放曲线，得到层状材料的破坏模式。
[0021]其中，所述依托离散元计算方法通过四方晶格的形式堆砌颗粒获得特定朝向的计算模型，包括：
[0022]通过四方晶格的形式堆砌颗粒，所有颗粒大小一致且均匀分布在计算区域内；所生成的颗粒可以是圆形，也可以是矩形，得到特定朝向的计算模型。
[0023]其中，所述依托离散元计算方法通过四方晶格的形式堆砌颗粒获得特定朝向的计算模型，包括：
[0024]也可以将二维数值模型拓展为三维模型，所生成的颗粒可以是球形，也可以是长方体，所有颗粒大小一致且均匀分布在计算区域内，得到特定层理朝向的三维计算模型。
[0025]其中，所述通过颗粒的黏结刻画所述层状模型的薄层理，得到薄层理片状堆迭结构数值计算模型，包括：
[0026]设置每一层或每相邻的两层、多层粒子为一层基质，基质与基质之间则视为层理刻画薄层理，为基质和层理设置不同的粘结强度、弹性模量等细观参数来描述薄层理，得到薄层理片状堆迭结构数值计算模型。
[0027]其中，所述根据所述层状材料物理力学参数，对所述薄层理片状堆迭结构数值计算模型进行参数标定，得到标定模型，包括：
[0028]根据所述层状材料物理力学参数，进行标定，且层理的强度A、模量参数B值应小于基质的强度C、模量参数D值，可令C＝βA(β＜1)、D＝γB(γ＜1)，得到标定模型。
[0029]本专利技术的一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，通过观察材料薄层理片状堆迭结构，获得层状材料物理力学参数；根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型；根据所述层状材料物理力学参数，对所述薄层理片状堆迭结构数值计算模型进行参数标定，得到标定模型；基于所述标定模型对外部墙体单元施加速度模拟加载的过程，计算并导出薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果，解决了现有模型的数值
模拟工作面临较大困难的问题。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1是页岩薄层理片状堆迭结构实物图。
[0032]图2是页岩单轴压缩试验应力
‑
应变曲线图。
[0033]图3是考虑矿物组分的薄层理片状堆迭页岩模型示意图(左：层理视图，右：矿物组分视图)。
[0034]图4是模拟结果中30
°
层理角度薄层理片状堆迭页岩裂纹扩展图。
[0035]图5是模拟结果中30
°
层理角度薄层理片状堆迭页岩的应力
‑
应变曲线图。
[0036]图6是将模型拓展为三维立方体模型示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：通过宏、细观测试手段获得岩石薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，测试层状岩石材料物理力学参数；根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型；根据所述层状岩石材料物理力学参数，对所述考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型进行参数标定，得到标定模型；基于所述标定模型对外部墙体单元施加速度模拟加载的过程，计算并导出薄层理片状堆迭结构岩石数值计算结果。2.如权利要求1所述的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，其特征在于，所述通过宏、细观测试手段获得岩石薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征、物理力学参数，包括：观察岩石材料薄层理片状堆迭结构，得到层理分布及朝向数据以及微观矿物组分分布特征，测试矿物组分类型及含量；基于所述观察数据将层状岩石材料制作成试件；测试所述试件的几何尺寸、质量、密度、孔隙率、微观力学参数以及应力
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应变曲线、峰值荷载、强度、弹性模量和应变宏观力学参数，得到层状岩石材料物理力学参数。3.如权利要求2所述的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，其特征在于，所述宏、细观测试手段包括基本物理性质测试、XRD射线衍射分析、SEM电镜扫描和单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三轴压缩试验。4.如权利要求3所述的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，其特征在于，所述根据所述层状岩石材料薄层理片状堆迭结构特征及矿物组分特征，依托离散元计算方法构建考虑矿物组分的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型，包括：依托离散元计算方法通过四方晶格的形式堆砌颗粒获得特定朝向的计算模型；基于所述计算模型，根据所述岩石矿物组分特征，结合二次自定义随机块生成算法，建立考虑不同矿物组分类型、含量、分布特征的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型。5.如权利要求4所述的薄层理片状堆迭结构岩石数值计算模型的构建方法，其特征在于，所述薄层理片状堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：班宇鑫，谢强，段军，孙伟宸，傅翔，陈立鸿，陈昱成，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：