一种岩石变形破坏全过程能量可视化方法技术

本发明专利技术公开了一种岩石变形破坏全过程能量可视化方法，包括获取岩石应变软化参数，得到内摩擦角及粘聚力随塑性应变而变化的值；在应力

【技术实现步骤摘要】
一种岩石变形破坏全过程能量可视化方法


[0001]本专利技术涉及岩石内部能量可视化方法研究领域，具体涉及一种岩石能量可视化方法。

技术介绍

[0002]岩石变形破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象，岩爆、冲击地压、围岩变形破坏都与能量的累积和释放相关。因而有必要对岩石变形破坏全过程的能量演化规律进行研究，以便从能量角度揭示岩石变形破坏的内在机理。但已有研究多依赖实验室实验，研究方法单一，针对岩石变形破坏全过程的能量演化规律研究尚不成熟，在可视化岩石内部能量方面亦涉及较少。本专利技术通过结合FLAC
3D
与Python，实现了岩石内部弹性应变能及耗散塑性能精确表述，弥补了常规实验方法不能准确量化峰后弹性应变能及耗散能的缺陷。

技术实现思路

[0003]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种岩石能量可视化方法，其能够实现岩体变形破坏全过程能演演化规律综合研究，能够定量精确表示出载荷作用下弹性应变能及耗散塑性能的变化数据，还可通过3D图、热图等进行直观展示，弥补了常规实验方法不能准确量化峰后弹性应变能及耗散能的缺陷，扩展了能量法在岩石力学方面的应用。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]本专利技术提供一种岩石能量可视化方法，包括以下步骤：
[0006]A、选取岩体并制作岩体样本，对岩体样本进行常规单轴、三轴实验，校准岩石应变软化参数，获得其内摩擦角及粘聚力随塑性应变而变化的值；
[0007]B、对岩体样本进行单轴压缩实验，得到岩体单轴全应力
‑
应变实验曲线；采用FLAC
3D
软件建立岩体样本模型，采用应变软化摩尔库伦本构关系，利用步骤A得出的应变软化参数模拟岩体单轴压缩压缩实验，得到岩石全应力
‑
应变模拟曲线；
[0008]C、比较模拟曲线与实验曲线，验证模拟应变软化参数的合理性；采用高阶多项式回归，使用同种函数形式拟合两条曲线，分别计算两条曲线与横轴包围的面积，若两者面积之比小于90％，则认为两曲线相离程度高，则返回步骤A重新调整应变软化参数；若两者面积之比大于等于90％，则认为两曲线重合程度高，证明已获得的应变软化参数合理；
[0009]D、在应力
‑
应变曲线图中以点的形式标注所需研究的状态，在峰前弹性阶段、应变软化阶段分别取各取3个具有代表性的研究点；所取的6个研究点记为：A、B、C、D、E、F；同时还要记录各个研究点对应的步数和应力；
[0010]E、启动FLAC
3D
能量计算模块并使用python的第三方库Itasca库，计算每一个研究状态的能量积累、释放和耗散情况，更改FLAC
3D
计算步数至待研究状态所对应的步数后，重新进行数值模拟计算，计算结束后，调出该研究点下任意一个实体单元的能量情况；
[0011]F、在FLAC
3D
中遍历待研究实体单元的ID号，并以列表数据类型存于Python中，随后索引每一个实体单元，并利用python第三方库Itasca和Numpy库导出所有待研究岩体单元
的应力、应变、弹性应变能、耗散塑性能数据；
[0012]G、在python的IDE中加载导出的数据，并更改Numpy数组类型数据的shape值，使其与待研究截面长和宽两个方向的网格数目一致，随后利用python的第三库Matplotlib库绘制研究截面的弹性应变能、耗散能三维图或热图；当步骤F导出模型全部岩体单元的数据时，利用Numpy库统计整个岩样在任一状态时内部储存的弹性应变能及耗散能大小。
[0013]优选地，利用验证后的应变软化参数，模拟循环加卸载及三轴压缩复杂条件下岩石变形破坏过程。
[0014]优选地，模拟岩石变形破坏过程的步骤为：确定循环加卸载方案：采用峰前峰后均加卸载的压缩试验，使用位移控制方式，以1
×
10
‑4mm/step的速率加载轴压至设定值，再以1
×
10
‑4mm/step的速率卸载至轴向应力为0，以此方式加载、卸载完成循环加卸载试验。峰前采用分级加卸载形式，卸载点取峰值应力的20％，40％，60％，80％等4个点；应变软化阶段进行2次加卸载试验。记录模拟时每个卸载点对应的步数，计算结束后采用前述方法将数据导入Python解释器中,绘制循环加卸载过程中应力
‑
应变曲线、弹性应变能
‑
应变曲线、弹性应变能与耗散能增量图。
[0015]优选地，步骤D中，选取的研究点需要具有代表性，能够充分反应岩石在弹性阶段、应力峰值状态和应变软化阶段的特征。
[0016]优选地，步骤A中，采用三轴压缩设备对岩体样本进行常规单轴、三轴实验，校准岩石应变软化参数。
[0017]本专利技术的有益效果在于：
[0018](1)本专利技术能够对取样的岩体进行变形破坏前后能量等数据分析，并能可视化变形破坏前后岩体的弹性应变能及耗散能的数据，可视化了岩石变形破坏全过程的能量演化机制，实现了岩体在循环加卸载等复杂应力条件下的能量演化规律研究。
[0019](2)本专利技术能够精准表征岩体应变软化阶段的内部能量变化特征，可通过三维图片进行直观展示，对岩体内部能量演化规律的研究具有重要意义。
附图说明
[0020]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。
[0021]图1为本专利技术实施例提供的石应力
‑
应变实验曲线及模拟曲；
[0022]图2为本专利技术实施例提供的岩石弹性应变能演化规律示意图；
[0023]图3为本专利技术实施例提供的岩石耗散能演化规律示意图；
[0024]图4为本专利技术实施例提供的纵截面耗散塑性能演化热图；
[0025]图5为本专利技术实施例提供的循环加卸载弹性应变能
‑
应变曲线；
[0026]图6为本专利技术实施例提供的弹性应变能及耗散能增量曲线。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]如图1至图6所示，一种岩石能量可视化方法，具体包括以下步骤：
[0029]A、从研究区岩体中取出岩体并制作为岩体样本；采用三轴压缩设备对岩体样本进行常规单轴、三轴实验，校准岩石应变软化参数，得出内摩擦角及粘聚力随塑性应变而变化的值，如图1中的应变软化参数。
[0030]B、对岩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩石变形破坏全过程能量可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：A、选取岩体并制作岩体样本，对岩体样本进行常规单轴、三轴实验，校准岩石应变软化参数，获得其内摩擦角及粘聚力随塑性应变而变化的值；B、对岩体样本进行单轴压缩实验，得到岩体单轴全应力
‑
应变实验曲线；采用FLAC
3D
软件建立岩体样本模型，采用应变软化摩尔库伦本构关系，利用步骤A得出的应变软化参数模拟岩体单轴压缩压缩实验，得到岩石全应力
‑
应变模拟曲线；C、比较模拟曲线与实验曲线，验证模拟应变软化参数的合理性；采用高阶多项式回归，使用同种函数形式拟合两条曲线，分别计算两条曲线与横轴包围的面积，若两者面积之比小于90％，则认为两曲线相离程度高，则返回步骤A重新调整应变软化参数；若两者面积之比大于等于90％，则认为两曲线重合程度高，证明已获得的应变软化参数合理；D、在应力
‑
应变曲线图中以点的形式标注所需研究的状态，在峰前弹性阶段、应变软化阶段分别取各取3个具有代表性的研究点；所取的6个研究点记为：A、B、C、D、E、F；同时还要记录各个研究点对应的步数和应力；E、启动FLAC
3D
能量计算模块并使用python的第三方库Itasca库，计算每一个研究状态的能量积累、释放和耗散情况，更改FLAC
3D
计算步数至待研究状态所对应的步数后，重新进行数值模拟计算，计算结束后，调出该研究点下任意一个实体单元的能量情况；F、在FLAC
3D
中遍历待研究实体单元的ID号，并以列表数据类型存于Python中，随后索引每一个实体单元，并利用py...

【专利技术属性】
技术研发人员：王方田，张辰凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：