基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法技术

本申请公开了一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，包括以下步骤：S1开展花岗岩的纳米压痕试验，以获取各组成矿物的杨氏模量E、断裂韧度值K

【技术实现步骤摘要】
基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法


[0001]本申请涉及岩土工程中岩石细观参数标定
，尤其涉及一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法。

技术介绍

[0002]离散元法为在实验室条件下定量研究颗粒尺度下材料失效破坏提供了解决方案。随机Vorono i多边形技术与脆性岩石多晶核心的生长具有类似的发展过程。因此基于Vorono i多边形的离散元建模方法可以保证在颗粒尺度上研究材料的异质性和微观结构异质性。尽管已有不少使用离散元研究了岩石微观结构的异质性、渐进损伤过程和裂纹行为，但极少数研究涉及模拟过程中的参数标定。参数标定是确保数值模拟能够准确模拟岩石结构的微观异质性以及与实验室力学响应相匹配的重要步骤。一般来说，通过使用传统室内试验测得的宏观力学参数进行试错来校准微观力学参数。这一过程具有很大的随机性并且由于花岗岩的宏观、细观参数众多导致细观参数的标定工作难度较大。即使模拟得到的宏观力学参数可以很好地反映实验室结果，但是宏观破坏模式或微裂纹的发展机制可能与实际情况不一致。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，以减少花岗岩离散元模拟过程中参数标定的复杂性和随机性，所述技术方案如下：
[0004]本申请提供一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，包括以下步骤：S1开展花岗岩的纳米压痕试验，以获取各组成矿物的杨氏模量E、断裂韧度值K
IC
以及矿物接触界面的刚度比k
ratio
；S2将所述S1获得的参数用于基于Voronoi多边形构建的花岗岩离散元模型的数值模拟过程中的参数标定；S3分别开展单轴压缩、巴西拉伸和直切槽式巴西圆盘拉伸试验的数值模拟，以标定平行黏结模型中的细观参数，直至与所有室内试验吻合良好。
[0005]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S1中，根据花岗岩每种矿物开展多组纳米压痕试验以获取荷载深度曲线，并计算各矿物的杨氏模量E和断裂韧度K
IC
，将纳米压痕试验获取的矿物的杨氏模量E作为平行黏结模型中矿物颗粒的线弹性模量E
*
和黏结有效模量
[0006]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，各矿物的杨氏模量E和断裂韧度K
IC
满足以下计算式：
[0007][0008]其中，A
c
为压头与试样的接触面积，β为压头的几何参数，S为接触刚度且S等于荷载
‑
深度曲线卸载段的斜率，G
c
为临界能量释放率。
[0009]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S1中，将获取的矿物接触界面的刚度比k
ratio
作为矿物刚度比k
n
/k
s
和黏结刚度比矿物接触界面的刚度比k
ratio
满足下述计算式：
[0010][0011]其中，k
n
为法向刚度，k
s
分切向刚度，t为假设的接触界面厚度值，E1、E2分别为接触界面两侧的矿物的杨氏模量，G1、G2分别为接触界面两侧的矿物的剪切模量。
[0012]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，接触界面两侧的矿物的剪切模量满足以下计算式：
[0013][0014]其中，ν为矿物的泊松比。
[0015]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S2中，根据花岗岩薄片的偏光显微镜测试确定各矿物的百分含量和粒径分布，并以此确定基于Voronoi的花岗岩矿物晶体的尺寸参数。
[0016]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S2中，基于Voronoi多边形建立花岗岩矿物晶体的离散元模型，并检验矿物晶体多边形尺寸是否满足要求。
[0017]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S3中，开展单轴压缩试验的离散元模拟，以确定花岗岩的杨氏模量、单轴抗压强度以及变形破坏模式，并检验模拟结果是否与单轴压缩试验结果吻合。
[0018]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S3中，开展巴西圆盘拉伸试验的离散元模拟，以确定花岗岩的抗拉强度以及拉伸破坏模式，并检验模拟结果是否与单轴压缩试验结果吻合。
[0019]例如，在一个实施例提供的基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法中，所述S3中，开展花岗岩各组成矿物的直切槽式巴西圆盘拉伸试验的离散元模拟，以确定花岗岩各组成矿物的断裂韧度值，并检验模拟结果是否与纳米压痕试验结果吻合，直至与所有室内试验吻合良好。
[0020]本申请一些实施例提供的一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法带来的有益效果为：本申请通过纳米压痕试验获取花岗岩组成矿物的力学参数来辅助离散元模拟过程中的参数标定，将纳米压痕测试结果与试错法相结合，反映宏观参数及细观参数之间的内在联系，减少了标定参数并且降低了标定过程中的随机性，提高了标
定效率。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。
[0022]图1是基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定流程图；
[0023]图2是应力应变曲线的室内试验与数值模拟对比图；
[0024]图3a是单轴压缩破坏模式的数值模拟图；
[0025]图3b是单轴压缩破坏模式的室内试验图；
[0026]图4a是拉伸破坏模式的数值模拟图；
[0027]图4b是拉伸破坏模式的室内试验图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[0029]除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1开展花岗岩的纳米压痕试验，以获取各组成矿物的杨氏模量E、断裂韧度值K
IC
以及矿物接触界面的刚度比k
ratio
；S2将所述S1获得的参数用于基于Voronoi多边形构建的花岗岩离散元模型的数值模拟过程中的参数标定；S3分别开展单轴压缩、巴西拉伸和直切槽式巴西圆盘拉伸试验的数值模拟，以标定平行黏结模型中的细观参数，直至与所有室内试验吻合良好。2.根据权利要求1所述基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，其特征在于，所述S1中，根据花岗岩每种矿物开展多组纳米压痕试验以获取荷载深度曲线，并计算各矿物的杨氏模量E和断裂韧度K
IC
，将纳米压痕试验获取的矿物的杨氏模量E作为平行黏结模型中矿物颗粒的线弹性模量E
*
和黏结有效模量3.根据权利要求2所述基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，其特征在于，各矿物的杨氏模量E和断裂韧度K
IC
满足以下计算式：其中，A
c
为压头与试样的接触面积，β为压头的几何参数，S为接触刚度且S等于荷载
‑
深度曲线卸载段的斜率，G
c
为临界能量释放率。4.根据权利要求1所述基于纳米压痕试验辅助花岗岩离散元模拟参数标定的方法，其特征在于，所述S1中，将获取的矿物接触界面的刚度比k
ratio
作为矿物刚度比k
n
/k
s
和黏结刚度比矿物接触界面的刚度比k
ratio
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鼎平，柳秀洋，李邵军，徐怀胜，江权，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：