[发明专利]一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法

权利要求书

1.一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，包括：

步骤S1：开展岩石微米压痕实验加载过程压头做功的无量纲分析；

步骤S2：选取及制备岩心样品，结合微CT扫描获取压头接触区域的岩石微观结构特征，利用数字岩芯建模技术构建岩石骨架及压头的有限元网格模型；

步骤S3：开展岩石微米压痕实验，压头压入过程岩石矿物颗粒未发生粉碎，依据试验规范求取微尺度弹性模量，计算不同特征压入深度下压头做功；

步骤S4：基于岩石微米压痕得到的弹性模量，开展不同强度及残余强度条件下岩石微米压痕数值模拟，获取其加卸载曲线；

步骤S5：计算数值模拟得到的不同特征压入深度条件下h/R＝0.1和0.15的压头做功，利用三次多项式拟合模拟得到的不同强度与残余强度条件下压头做功值；

步骤S6：将实验得到的h/R＝0.1和0.15时压头做功数值带入拟合公式，以初始粘聚力C和残余粘聚力Cr/C为纵横坐标可以绘制出当h/R＝0.1和0.15时的两条曲线，求取微尺度下本次压痕实验测试点岩石矿物的初始粘聚力和残余粘聚力数值，结合摩尔—库伦准则可以计算岩石强度及残余强度。

2.根据权利要求1所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述微米压痕实验的加载曲线形状函数Π_i可以用如下函数形式表示：

Π_i＝F_i(E,f_p,α,h,R,f_pore) (1)

其中，E,α,R,f_p,h分别为岩石弹性模量，压头尖端锥角，压头尖端半径，岩石材料的塑性参数和压入深度，f_pore为压头与岩石接触区域的微观结构特征。

3.根据权利要求1所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述微米压痕实验加载过程中压头做功W可由如下公式表示：

假设压痕实验所用脆性岩石的矿物骨架是均值、各项同性的，并且服从摩尔-库伦准则。

4.根据权利要求1所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述在岩石破裂但未发生粉碎的条件下，岩石微尺度内摩擦角与岩心尺度测试结果一致，且基于以上假设，结合白金汉π定理对公式(2)进行无量纲分析可简化为：

选取h/R＝0.1和0.15作为压痕实验的特征压入深度，式(3)可以改写为：

其中，C_r和分别为岩石破裂后的微尺度粘聚力和内摩擦角。

5.根据权利要求1所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，依据压痕实验规范开展岩心微米压痕实验，获取加卸载曲线，计算岩石的微尺度弹性模量；结合弾性模量，进而可以计算不同特征压入深度条件下的压头做功。

6.根据权利要求2所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述压头接触区域的岩石微观结构特征f_pore可以通过微CT扫描获取，结合数字岩芯建模技术可以重建岩石微观骨架和压头的有限元网格模型。

7.根据权利要求1所述的一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，以微米压痕实验得到的微尺度弹性模量作为输入参数，开展不同强度及残余强度条件下的微米压痕数值模拟，获得其加卸载曲线；从而可以用于计算数值模拟得到的不同特征压入深度条件下h/R＝0.1和0.15的压头做功；利用三次多项式对不同强度与残余强度条件下得到的压头做功值进行拟合，拟合公式的基本形式为：

然后，结合数值模拟数据拟合出系数A₁～A₄。