[发明专利]一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法

说明书

本发明属于岩石物理性质技术领域，针对岩石微缺陷对岩石力学性质和变形性质产生明显的影响，本发明具体涉及一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，具体包括如下步骤：(1)通过在二维离散元颗粒单元中加入微孔和微裂缝单元构建含微缺陷岩石模型；(2)在巴西劈裂加载模式下得出岩石次生微裂缝网络和宏裂缝的开度和走向；(3)计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域，实现岩石损伤区域分析。本发明能够准确计算出含微缺陷岩石拉伸损伤区域的位置，从而帮助室内实验和工程应用中了解含微缺陷岩石的断裂机理。

技术领域

本发明属于岩石物理性质技术领域，具体涉及一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法。

背景技术

巴西劈裂实验是国际岩石力学协会(ISRM)推荐的一种间接测量岩石抗拉强度和断裂特性的一种方法。通过在推荐尺寸的圆柱形岩样的上下两端施加线性载荷，使岩石沿垂向方向发生拉伸破坏。由于巴西劈裂方法在测量岩石抗拉强度和拉伸裂缝走向上具有实验简单和材料构型方便的特点，所以在室内试验和工程建造等进行广泛的使用。巴西劈裂实验的应力分布如图1所示。加载过程中在岩石上下加载点附近σ_y的压应力较大，在岩石中心位置压应力数值明显减少。σ_x方向的拉应力在岩石中心很长一段距离上呈现均匀分布。虽然岩石的拉应力数值小于岩石的压应力，但由于岩石的拉伸强度通常远小于抗压强度，导致岩石受到x方向拉应力而发生垂向的拉伸破裂。岩石中心出现劈裂裂缝。

离散元方法由Cundall和Strack首次提出，是经典的解决不连续介质力学问题的数值模拟方法。通过在圆形或多边形颗粒施加多种接触来模拟真实加载过程颗粒间的相互作用。利用不同的断裂准则和屈服准则模拟颗粒间的相互破裂。随着离散元方法的快速发展，已经在实际工程应用中扮演越来越关键的作用。

目前已经开展大量基于离散元方法的巴西劈裂加载下岩石断裂的模拟。尤其是针对含缺陷的一些岩石或者混凝土进行抗拉强度和裂缝开裂特性的研究。上述研究通过在模型内部设置大孔或者层理方向等模拟岩石的大缺陷，而自然界中岩石存在大量矿物颗粒尺度的微孔和微裂缝等微缺陷。众多研究结果也表明岩石微缺陷对岩石力学性质和变形性质产生明显的影响。所以有必要构建含微孔和微裂缝岩石模型，研究巴西劈裂实验中含微缺陷岩石损伤区域的变化。

单孔、多孔和层理是现有岩石和混凝土模型中常见缺陷。如图2所示为不同的岩石缺陷下劈裂裂缝的发育走向。上述构建的岩石模型在巴西劈裂加载模式下岩石的损伤区域和无缺陷岩石完全不同。所以缺陷形式和大小的变化对岩石的拉伸力学性质和次生裂缝生长都产生明显的影响。因此，如何研发一种针对岩石拉伸损伤区域的新型计算方法，准确得出次生微裂缝和宏裂缝的生长区域和路径，为工程实际应用提供参考，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法。该方法能够给出含微孔和微裂缝岩石在巴西劈裂加载后次生微裂缝分布和宏裂缝的走向。从而可以预测含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域。为实际工程应用中预防和解决含微缺陷岩石拉伸破裂提供帮助。

本发明采取的技术方案为：

一种计算巴西劈裂实验中含微孔和微裂缝岩石拉伸损伤区域的方法，具体包括如下步骤：

(1)通过在二维离散元颗粒单元中加入微孔和微裂缝单元构建含微缺陷岩石模型；

(2)在巴西劈裂加载模式下得出岩石次生微裂缝网络和宏裂缝的开度和走向；

(3)计算含微缺陷岩石在拉应力作用下的损伤区域，实现岩石损伤区域分析。

进一步的，所述步骤(1)中构建含微缺陷岩石模型的具体步骤如下：