[发明专利]一种考虑岩石结构特征和矿物组成的细观模型生成方法

说明书

本发明公开了一种考虑岩石结构特征和矿物组成的细观数值模型生成方法。能够考虑岩石的细观结构特征和矿物组成，建立反映岩石结构特征和矿物组成的细观数值模型，能够更加真实进行岩石力学数值模拟。本发明包括以下步骤：对岩石试样进行岩石结构特征分析得到矿物颗粒的尺寸、形态、矿物类型等信息；将不规则形状的矿物颗粒简化为一尺寸缩小的圆球，采用粒径膨胀法使颗粒发生重排列，获得一个较为密实的结构；然后提取颗粒空间位置和尺寸等信息，对颗粒集合体进行基于Voronoi图的空间区域划分；最后将得到的Voronoi多晶体结构进行有限元网格划分，并在矿物颗粒边界和颗粒内部插入无厚度界面单元，生成可反映岩石结构和岩相结构的有限元数值模型。

技术领域

本发明属于岩石力学研究领域，具体涉及一种考虑岩石结构特征和矿物组成的细观数值模型生成方法。

背景技术

岩石是地壳的基本组成物质，大量出露于地表，构成山川峡谷，是人类工程活动的基本载体和环境。岩石是由一种或几种矿物组成的，具有稳定外形的固态集合体，而矿物又具一定的化学成分和结晶构造。岩石结构指的是组成岩石的物质的结晶程度、矿物颗粒的大小、矿物颗粒的相对大小、矿物颗粒的形状以及它们之间的相互关系所表现出来的特征。按岩石的结晶程度可将结构分为全晶质结构、半晶质结构和玻璃质结构三大类；按岩石中矿物颗粒的绝对大小可分出粗粒、中粒、细粒、微粒等级别的结构；按矿物颗粒的相对大小又可划分等粒结构、不等粒结构和斑状、似斑状结构；按岩石中矿物的自形程度，还可分出自形结构、半自形结构及他形结构。

在岩石的力学特性研究过程中，矿物颗粒的尺寸、形状、互锁程度和接触类型都具有不同的影响。从矿物颗粒大小看，在岩浆岩、变质岩和沉积岩中，等粒结构一般比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。在斑状结构中，细粒基质比玻璃基质强度高；粗粒具斑晶的酸性深成岩强度最低；细粒微晶而无玻璃质的基性喷出岩强度最高。从结构连结上看，大部分岩浆岩、变质岩及沉积岩中的化学岩，晶粒之间结合紧密，强度较高，但在化学岩中，以可溶性结晶连结的，强度较高，但抗水性差。固结粘土岩有一部分是再结晶连结，其强度比其它坚硬岩石差得多。

国内外的许多学者对岩石的宏观变形和强度特性与岩石结构的关系开展了大量的研究。

2013年，Coggan等人研究了英格兰西南部花岗岩的力学性能，认为高岭石化的增加是导致该地区花岗岩强度显著降低的主要原因；同时Sousa等人也对葡萄牙不同地区的花岗岩进行了对比分析，认为岩石中石英的纹理特征对岩石的力学行为有至关重要的影响。

2014年，Sajid和Arif等人调查了巴基斯坦西北部的花岗岩，他们发现岩石内部的岩相变化将会导致细粒花岗岩强度降低，同时还会导致岩石的吸水率增加。

近年来一些先进的观测技术，如声发射、扫描电子显微镜、X射线断层扫描技术、数字图像相关技术等被引入到岩石力学试验，研究岩石等准脆性材料在荷载作用下，微裂纹的成核、扩展和汇合的物理过程。由于岩石内部的矿物成分、晶体构成十分复杂，其力学性能尚不能通过室内试验很好的揭示。为了深入理解岩石微观结构对其力学性能的影响，已经有学者开始进行考虑岩石微观结构的数值模拟，建立相应的微观模型来反映岩石的结构特性。

2014年，Ghazvinian等人提出了一种三维随机Voronoi晶粒模型用于模拟脆性岩石的裂纹扩展，通过Voronoi镶嵌获得晶体模型，并用晶体边界模拟晶粒间的裂纹。

2017年，Peng等人提出了一种晶粒模型模拟了武吉知马花岗岩的微观开裂行为，通过构造多边形晶粒模拟结晶岩石的微观结构。

但是，上述方法并不能完全反映岩石微观结构，仅能考虑岩石的矿物成分和矿物含量，不能考虑岩石矿物颗粒的不规则形状和排列结构，因此需要建立考虑岩石结构特征和矿物组成的细观数值模型。

发明内容