基于结构表征的岩石力学分析方法

东北大学岩石破裂与失稳研究中心CRISRCenter for Rock Instability and Seismicity Research基于结构表征的岩石力学性质 分析方法研究汇报人：于庆磊yuqinglei@http://www.77cn.com.cn2013-10-111

研究背景及现状汇 报 提 纲基于结构表征的细观数值模型 岩体结构识别与参数表征 岩体各向异性力学性质分析 展望2013-10-112

研究背景及现状采矿交通水电破坏其他市政2013-10-113

研究背景及现状岩石的非均匀本质 岩石的非均匀本质 力学性质-非均匀结构有关矿物颗粒、微裂隙 微孔洞 节理裂隙、破碎带2013-10-114

研究背景及现状很少有文献说明统计方法描述的非均匀性在多大程度反映其真实的细观结构非均匀性不同均质度的应力-应变曲线(李仲奎，2006)花岗岩数字图像一种信息资源，通过不同的灰度和颜色很好反映材 料的细观结构，可以用来研究材料内部的结构和缺陷 数字图像处理方法表征材料的细观结构2013-10-11 5

基于结构表征的细观数值模型扫描仪、CCD摄像仪、数码相机、CT机不同的彩色空间，表现出不同的图像特征(a) 花岗岩(b) R分量(c) H分量(d) I分量2013-10-116

基于结构表征的细观数值模型非均匀性的DIP表征与有限元网格转化y石英 长石 云母oxo原始图像 非均匀性表征图像x1 = ( x 1) × d , x2 = x × d , x3 = x × d , x 4 = ( x 1) × d ,y1 = (h y ) × d y 2 = (h y ) × d y 3 = (h y + 1) × d y 4 = (h y + 1) × d 1 42 3y单元节点式中： d =2013-10-11wr hr = w hwr—图像像素宽度，hr—图像像素高度 w—图像实际宽度，h—图像实际高度7

基于结构表征的细观数值模型细观单元的本构关系σ σcε tuε t0σ crσ trε c0ε修正的M-C准则 （拉伸破坏优先） 0 f D = 1 tr E0ε 1 σtε t0 ≤ ε ε tu ≤ ε < ε 0 ε ≤ ε tuσ 3 ≤ ftF = σ1 σ 32013-10-111 + sin φ ≥ fc 1 sin φ 0 D= fcr 1 E 0ε ε < ε c0 ε c0 ≤ ε8

岩石压缩试验数值模拟花岗岩数值模型50mm100mm石英 长石 云母花岗岩非均匀性表征图像 （ 石英， 长石， 云母）250 200花岗岩数值模型花岗岩中各细观介质力学参数细观介 质 石英 长石 云母 弹性模量 /GPa 96 67 40 抗压强度 /MPa 373 172 90 泊松 比 0.08 0.27 0.25 压拉比 15 12 10AA’ 10050 0 1 51 101 151 201I值150局部放大 2013-10-11像素坐标扫描线AA’上 I 值的变化曲线9

岩石压缩试验数值模拟——单轴压缩1. 细观结构对应力分布的影响1.2 1 0.8最大剪应力 最大主应力 最小主应力应力/MPa0.6 0.4 0.2 0最大主应力最小主应力-0.2 0 10最大剪应力20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150单元号某一断面上应力分布曲线( 石英， 长石， 云母)2013-10-1110

岩石压缩试验数值模拟——单轴压缩红色—拉伸破坏 白色—剪切破坏 黑色—前步破坏声发射（1#）单轴压缩条 件下在细观 层次上以拉 伸破坏为主2013-10-11破坏过程（1#）11

岩石压缩试验数值模拟——单轴压缩2# 3# 4# 5# 6#第 106 步第 94 步第 96 步第 112 步第 112 步声 发 射破 坏 模 式2013-10-11单 轴 压 缩 条 件 下 细 观 单 元 以 拉 伸 破 坏 为 12 主

岩石压缩试验数值模拟——单轴压缩以σ3 判断石英 长石 云母拉应力 压应力受细观结构的影响，试件内部存在大量的拉应力区2013-10-1113

岩石压缩试验数值模拟——围压效应1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 拉伸破坏 剪切破坏归一化破坏单元数围压 /MPa拉伸与剪切破坏单元数归一化变化曲线(a)σ 3 = 2 MPa(b)σ 3 = 4 MPa(c)σ 3 = 6 MPa在中低围压条件 下，岩石的破坏 在细观层次上是 张拉破坏和剪切 破坏相互耦合的 破坏方式，破断 角θ随围压的增 大而减小2013-10-11(d)σ 3 = 8 MPa(e)σ 3 = 10 MPa(f)σ 3 = 15 MPa14破坏模式的围压效应

岩石压缩试验数值模拟——围压效应不同侧压力系数下拉应力区分布λ＝0λ＝0.01λ＝0.02λ＝0.05λ＝0.1λ＝0.2拉应力区压应力区2013-10-1115

岩石热开裂过程数值模拟温度场控制方程kx 2T 2T 2T T + k y 2 + k z 2 + Q = ρc 2 t x y z本构方程σ ij = λε kkδ ij + 2Gε ij β ΔTδ ij石英 长石热物性参数演化方程 T 20 ) 1 k (k0 2.01) exp( k (T ) = 0 T + 130 ξ1k0 D <1 D =1材料云母数值模型 矿物介质热力学参数石英 长石 云母 所占比 率（%） 37.9 55.8 6.3 导热系 数w/m.k 7.69 2.31 1.95 热容 J/(kg.℃) 700 630 520 线膨胀系 数10-6/℃ 11 6 3 密度 g/cm3 2.65 2.57 3.12 c (1 + ψ T ) c (T ) = 0 ξ 2 c 0D <1 D =12013-10-1116

岩石热开裂过程数值模拟热开裂过程50℃100℃125℃150℃200℃不同温度时热应力诱发微裂隙分布（最大剪应力）2013-10-1117

岩石热开裂过程数值模拟2013-10-11温度加载到150℃时试件的破裂演化过程18

岩石热开裂过程数值模拟180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 30 60 90 120 150 180 210抗压强度 /MPa温度 /℃抗压强度随温度变化曲线(a) 数值试验结果(200℃)0.6(b)CT试验观测结果(赵阳升等,2008)80 70花岗岩热破裂观测试验与数值试验结果对比弹性模量 /GPa0.560 50 40 30 20 0 30 60 90 120 150 180 210热损伤 D0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 30 60 90 120 150 180 210温度 /℃温度 /℃宏观热损伤随温度变化曲线2013-10-11弹性模量随温度的变化曲线19

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