[发明专利]一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度获取方法

说明书

本发明公开了一种微尺度岩石弹性模量及屈服强度参数的获取方法。所述方法包括：采用微米级压头开展岩石微米压痕实验，获取加载过程中的载荷—位移曲线，结合压痕实验公式可获取不同位移条件下岩石弹性模量；对岩石试样开展微CT扫描，建立压痕区域岩石骨架的有限元网格模型；以微米压痕实验得到的弹性模量作为输入参数模拟岩石单轴压缩过程，获得模型整体弹性模量并与岩芯单轴压缩实验对比，确定有效表征岩石微米弹性模量的压入深度RVE；然后，开展不同屈服强度条件下的岩样压痕实验数值模拟，并将模拟得到的加卸载载荷—位移曲线与压痕实验进行对比验证，从而确定岩石微米级的屈服强度。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种岩石微尺度力学参数的获取方法。

背景技术

岩石作为一种非均质多孔介质材料，其宏观力学性质与孔隙结构特征、矿物组分密切相关。大量理论、实验表明，岩石的变形及破裂源于微观。微尺度的岩石变形及破裂研究需要相应尺度的力学参数。然而，传统单轴、三轴压缩等试验的岩样尺寸均在厘米级以上，得到的岩石力学参数只能满足宏观岩石力学性质的研究，这些实验在岩样的制取、精度测量根本无法应用到微米级别岩石的参数的研究。对于微米尺度的材料力学性能测试也面临着众多难题，例如样品尺寸测量、应变—位移的测定以及样品的制备等。

针对目前岩石微米尺度力学参数难以获取的缺陷，本发明公开一种岩石微米尺度弹性模量及屈服强度参数的实验及数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于岩石微尺度弹性模量及屈服强度的获取方法，通过综合运用岩石微米压痕实验及数字岩心模拟技术，解决目前实验手段难以获取岩石微尺度力学参数的缺陷。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

(一)将原始岩心制成厚度为5mm的切片，并进行抛光处理，确保切片上下两个底面平行、光滑。利用制备的岩样切片开展压痕实验，获取仪器压头压入样品过程中的载荷—位移曲线，利用压痕实验公式得出不同压入深度条件下的岩石弹性模量；对切片后岩样开展单轴压缩试验，获得宏观尺度下岩石弹性模量数据。

(二)对压痕实验中切片的压痕部分制样并开展微观CT扫描，获得岩石微观结构图像；基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架的有限元网格模型；

(三)以岩石微米压痕实验得到的岩石弹性模量作为输入参数，开展单轴压缩数值模拟，并将模型整体表现出的弹性模量与单轴压缩实验结果进行对比验证，以确定可表征该岩样微米级弹性模量的压入深度RVE。

(四)基于数字岩心重建技术，建立岩石骨架及压头的有限元网格模型；假设岩石为理想Von-Mises各向同性强化弹塑性材料，压头和测试样品为刚—柔接触方式，遵循基本库仑—摩擦接触模型，计算过程考虑几何大变形；开展压痕实验过程的数值模拟，通过模拟不同屈服强度条件下的加卸载曲线并与压痕实验进行比对，从而确定该岩样微米尺度的屈服强度参数。

与传统技术相比，本发明的有益效果在于：

解决了传统技术在实验设备、方法、样品制取和测量精度等方面均无法应用至微观尺度的缺陷，为岩石微米级力学参数获取提供了新的研究方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明方法的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步说明。

图1为本发明实施例所述的岩石微米级弹性模量及屈服强度获取方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一个岩样切片及实验压痕分布图。

图3为本发明实施例提供的一个岩样压痕实验的加卸载过程位移—载荷分布曲线。

图4为本发明实施例提供的一个岩样切片压痕区的微CT图像及其骨架数字岩心模型。

图5为本发明实施例提供的岩样单轴压缩数值模拟得到的岩样应力及应变分布云图。