[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

说明书

本发明公开了一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法。所述方法包括：开展岩石微米压痕实验获取岩石加卸载曲线及微尺度弹性模量；基于白金汉π定理的无量纲分析推导加卸载曲线与岩石弹性模量、压入深度、初始强度及残余强度之间的关系；通过微观CT扫描重建测点微观骨架及压头网格模型；结合实验得到的参数和摩尔‑库伦准则开展数值模拟，获取不同强度及残余强度条件下加卸载曲线，利用三次多项式拟合出不同特征压入深度下压头做功与岩石初始强度和残余强度的关系；结合实验数据求得拟合系数，绘制出不同特征压入深度下岩石初始强度及残余强度的数据线，交点即为岩石微尺度下的初始强度及残余强度。

技术领域

本发明涉及岩石力学领域，具体而言，特别涉及一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法。

背景技术

岩石是隧道、地下储库等地下工程以及煤、石油天然气、地热等矿产资源的地质载体，其力学性质关系到相关工程的长期稳定性及能源的开采效率。作为一种由多种矿物胶结而成的多孔介质，岩石的微尺度变形—破裂机理及流体输运特性越来越受到研究人员的关注。然而，受限于常规岩石力学设备对岩样尺寸的要求，目前尚无有效的岩石微观强度参数的测试方法。微米压痕实验利用不同形状的微米级金刚石压头压入岩石矿物内部，获取岩石微观矿物的加卸载曲线，进而评价其力学特性。然而由于岩石微观矿物组成及孔隙结构的复杂性和非均质性，目前压痕实验以弹性模量及硬度参数测试为主，尚未有对岩石强度参数(如初始粘聚力及残余粘聚力等)的测量计算方法。针对这一不足，本发明公开了一种脆性岩石微尺度强度及残余强度的测量计算方法。

发明内容

本发明的目的在于填补现有微观岩石力学空白，提供一种预测精度高、适用性强的微尺度脆性岩石强度及残余强度的测量计算方法。

为实现上述目的，本发明所述脆性岩石破坏形式遵循摩尔—库伦准则及粘聚力弱化—摩擦强化原理；考虑到微米压痕实验的压入深度在微米级别，岩石矿物基本无“粉碎”情况出现，本发明认为该过程中岩石内摩擦角不变。本发明主要包括以下步骤：

步骤S1：开展微米压痕实验加载过程压头做功的无量纲分析，微米压痕实验的加载曲线形状函数Π_i的主要影响参数包括：岩石弹性模量E、压头尖端锥角α、压头尖端半径R、岩石材料的塑性参数f_p以及压头与岩石接触区域的微观结构特征f_pore，用函数的形式表示为：

Π_i＝F_i(E,f_p,α,h,R,f_pore) (1)

加载过程中压头所做功：

脆性岩石的矿物骨架是均质、各向同性的，且服从摩尔—库伦准则：

其中，τ_n和σ_n分别为剪应力和正应力，C和分别为岩石的粘聚力和内摩擦角。在岩石破裂后岩石微尺度的粘聚力和内摩擦角为C_r和依据前面理论，当岩石未发生粉碎的条件下，微尺度岩石内摩擦角与岩心尺度测试结果一致，且式(2)可转化为：

W＝F_i(E,C,C_r,α,h,R,f_pore) (4)

其中压头接触区域的岩石微结构可以通过微CT扫描获取和重建，对于特定形状的压头，依据白金汉π定理对式(4)进行无量纲分析可简化为：

选取h/R＝0.1和0.15作为特征压入深度，式(5)可转化为：