基于结构表征的岩石力学分析方法

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1、东北大学岩石破裂与失稳研究中心CRISRCenterforRockInstabilityandSeismicityResearch基于结构表征的岩石力学性质基于结构表征的岩石力学性质分析方法研究分析方法研究汇报人：于庆磊yuqinglei@mail.neu.edu.cn2013-10-111¾研究背景及现状¾基于结构表征的细观数值模型汇¾岩体结构识别与参数表征报提¾岩体各向异性力学性质分析纲¾展望2013-10-112研究背景及现状采矿交通破坏水电市政其他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、微裂隙节理裂隙、破

2、碎带微孔洞2013-10-114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2013-10-115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

3、始图像非均匀性表征图像12x1=(x−1)×d,y1=(h−y)×d⎫43⎪x2=x×d,y2=(h−y)×d⎪⎬x=x×d,y=(h−y+1)×d33⎪x=(x−1)×d,y=(h−y+1)×d⎪y单元节点44⎭wh式中：d=r=rw—图像像素宽度，h—图像像素高度rrwh2013-10-117w—图像实际宽度，h—图像实际高度基于结构表征的细观数值模型细观单元的本构关系σσcσcrεtuεt0修正的M-C准则σtrεc0ε（拉伸破坏优先）σt⎧0εt0≤ε⎪⎪ftrσ3≤−ftD=⎨1−εtu≤ε<ε0⎪E0ε⎪⎩1ε≤εtu⎧0ε<εc0⎪1+sinφD=⎨fcrF=

4、σ1−σ3≥fc⎪⎩1−εc0≤ε1−sinφE0ε2013-10-118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花岗岩数值模型（石英，长石，云母）250200花岗岩中各细观介质力学参数150细观介弹性模量抗压强度泊松压拉比值质/GPa/MPa比AA’I100石英963730.081550长石671720.27120云母40900.2510151101151201像素坐标局部放大2013-10-11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最大剪应力1最大主应力最小主应力0.

5、80.6/MPa0.4应力0.20最大主应力最小主应力最大剪应力-0.20102030405060708090100110120130140150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破坏过程（1#）2013-10-1111岩石压缩试验数值模拟——单轴压缩2#3#4#5#6#单轴压缩条件第106步第94步第96步第112步第112步下细声观发单射元以拉伸破坏破模坏式为2013-10-1112主岩石压缩试验数值模拟—

6、—单轴压缩以σ判断3石英拉应力长石云母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拉伸破坏0.8剪切破坏0.60.4归一化破坏单元数0.200246810121416围压/MPa拉伸与剪切破坏单元数归一化变化曲线(a)σ=2MPa(b)σ=4MPa(c)σ=6MPa333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(d)σ=8MPa(e)σ=10MPa(f)σ=15MPa3332013-10-11破坏模式的围压效应14岩石压缩试验数值模拟——围压效应

7、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222∂T∂T∂T∂Tk+k+k+Q=ρcx2y2z2∂x∂y∂z∂t本构方程石英σ=λεδ+2Gε−βΔTδijkkijijij长石云母热物性参数演化方程数值模型⎧⎡T−20⎤⎪k−(k−2.01)exp()−1D<1k(T)=⎨00⎢T+130⎥⎣⎦⎪ξkD=1⎩10矿物介质热力学参数所占比导热系热容线膨胀系密度材料-63率（%）数w/m.kJ/(