一种高温岩石细观节理本构模型构建方法

技术特征：
1.一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、建立考虑裂纹滑移效应与温度效应的岩石细观节理本构关系的初步数学表达式；步骤2、制备多个岩石试样，分别对岩石试样进行测量分析和高温岩石力学试验，获取岩石的宏观物理力学性质；步骤3、在离散元数值模拟软件中建立岩石试样的数值几何模型，将目标岩石的热力学参数和初步本构关系输入到数值几何模型的单元体和单元体接触面；步骤4、复制实验室试验条件，在离散元数值模拟软件中进行平行数值模拟试验；步骤5、对比数值模拟结果和实验室试验结果，利用反分析法，获得对应岩石试样的细观节理本构关系所需系数方程，完成高温岩石细观节理本构模型的构建。2.根据权利要求1所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：步骤1.1、考虑热力耦合作用下热应力裂纹的滑移效应，将库仑摩擦滑动准则的残余内聚力和残余内摩擦角修改为滑移位移依赖性；步骤1.2、考虑热力耦合作用下的温度效应，将库仑摩擦滑动准则的内聚力、内摩擦角、抗拉强度修改为温度依赖性；步骤1.3、建立同时考虑裂纹滑移效应与温度效应的岩石细观节理本构关系的初步数学表达式。3.根据权利要求2所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤1.1中，热应力裂纹的剪切参数受滑移变形的影响表达式为：移变形的影响表达式为：其中，和是受裂纹滑移距离影响的残余内聚力和残余内摩擦角，和是对应的残余内聚力和残余内摩擦角的滑移弱化或强化系数方程，c0和是岩石细观节理未受温度影响的初始内聚力和内摩擦角。4.根据权利要求3所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤1.2考虑温度效应，将库仑摩擦滑动准则节理的内聚力c0、内摩擦角抗拉强度σ
t0
修改为温度依赖性，表达式为:c
temp
＝f
temp-c
c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)σ
temp-t
＝f
temp-t
σ
t0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，c
temp
、σ
temp-t
分别为受温度效应影响的内聚力、内摩擦角、抗拉强度；f
temp-c
、f
temp-t
分别为内聚力、内摩擦角、抗拉强度的温度依赖性系数方程；将高温作用下，库仑摩擦滑动准则的岩石细观节理最大抗拉强度t
max
和最大抗剪切强度s
max
修改为温度依赖性，如下公式所示：t
temp-max
＝-σ
temp-t a
c
＝f
temp-t
σ
t0 a
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
其中，t
temp-max
为节理的温度依赖性最大抗拉强度，s
temp-max
为节理的温度依赖性最大抗剪切强度，a
c
为节理面积，f
n
为节理法向力。5.根据权利要求4所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤1.3中，对于张拉裂纹，设定残余抗拉强度为0；对于剪切裂纹，其力学行为同时受到温度和裂纹滑移变形的影响，因此，剪切裂纹相应的残余剪切参数的力学关系式变为如下公式所示：式所示：式所示：其中，和是同时考虑节理滑移效应和温度效应的残余内聚力和残余内摩擦角,是同时考虑裂纹滑移效应和温度效应的最大残余剪切强度。6.根据权利要求5所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：步骤2.1、对目标岩石试样进行矿物成分测量；对目标岩石试样进行矿物成分测量，确定岩石试样的矿物晶体组成成分和比例；步骤2.2、对岩石试样的所有矿物晶体的热力学性质进行收集整理；步骤2.3、对岩样试样进行多种高温岩石力学试验，得到岩石试样的应力应变曲线和抗拉强度；根据未经热处理岩石试样的应力应变关系和抗拉强度，确定岩石试样数值几何模型的初始力学参数；根据应力应变曲线反算出基于实验室试验结果的内聚力温度依赖性系数方程f
temp-c
、内摩擦角温度依赖性系数方程抗拉强度温度依赖性系数方程f
temp-t
，残余内聚力的裂纹滑移弱化或强化系数方程残余内摩擦角的裂纹滑移弱化/强化系数方程7.根据权利要求6所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤2.2对岩石试样的所有矿物晶体的热力学性质进行收集整理，其中，热学参数包括线性热膨胀系数α
t
，热导系数k，比热容c
p
；力学参数包括：密度ρ
m
，泊松比ν
m
，杨氏模量e
m
，内聚力c
m
，内摩擦角抗拉强度σ
tm
；矿物晶体间接触面的力学性质取相邻矿物晶体力学参数的平均值。8.根据权利要求6所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤2.3对岩样试样进行多种高温岩石力学试验时需要对岩石试样先进行加热-冷却预处理。9.根据权利要求6所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：步骤3.1、根据要建模的实验室岩石试样的尺寸，在离散元数值模拟软件中生成1:1的数值几何模型；步骤3.2、根据不同矿物成分在多晶体岩石试样中所占比例，对数值几何模型中的数值
单元体进行遍历，将单元按照步骤2.1测得的真实矿物比例随机分组，并定义成相应的矿物晶体；步骤3.3、对数值几何模型中的矿物晶体和晶内、晶体间接触面进行识别，将热力学参数和本构关系赋予晶体单元和晶体间接触面；其中，晶体单元设置为弹性本构模型，晶体间接触面的本构关系设置为步骤1中获得的考虑裂纹滑移效应与温度效应的岩石细观节理本构关系的初步数学表达式。10.根据权利要求9所述的一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：步骤5.1、根据步骤4进行的加热加载数值模拟试验，对比数值几何模型和试件在同样加热-冷却预处理后受载荷作用下的应力应变关系和抗拉强度，基于模拟结果和试验结果的差别，修改数值几何模型的初始力学参数，再次进行加热加载平行数值模拟试验，并再次对比试验结果，由此反复，直至数值模拟结果与试验结果相一致或在设定误差范围内，由此确定不同温度下的力学参数与初始力学参数的定量关系；步骤5.2、基于获得的不同温度下的定量关系，建立不同温度下岩石试样的内聚力温度依赖性系数方程f
temp-c
、内摩擦角温度依赖性系数方程抗拉强度温度依赖性系数方程f
temp-t
，残余内聚力的裂纹滑移弱化/强化系数方程残余内摩擦角的裂纹滑移弱化/强化系数方程步骤5.3、将所得到的内聚力温度依赖性系数方程f
temp-c
、内摩擦角温度依赖性系数方程抗拉强度温度依赖性系数方程f
temp-t
、残余内聚力的裂纹滑移弱化/强化系数方程程残余内摩擦角的裂纹滑移弱化/强化系数方程代入剪切裂纹相应的残余剪切参数的力学关系式中，完成高温岩石细观节理本构模型的构建。

技术总结
本发明提供一种高温岩石细观节理本构模型构建方法，涉及岩石力学数值模拟技术领域。该方法首先建立考虑裂纹滑移和温度效应的岩石细观节理本构关系的初步数学表达式，并获取岩石的宏观物理力学性质；然后建立岩石样品的数值几何模型，并将目标岩石的热力学参数和初步本构关系赋予数值模型的单元体和单元体接触面；复制实验室试验条件，进行平行数值模拟试验；最后对比数值模拟结果和实验室试验结果，利用反分析法，获得对应岩石试样的细观节理本构关系所需系数方程，完成高温岩石细观节理本构模型的构建。该方法同时考虑裂纹滑移效应与温度效应，利用反分析法构建的高温岩石细观节理本构模型，与试验结果吻合度较高，可应用于岩石力学数值模拟。用于岩石力学数值模拟。用于岩石力学数值模拟。


技术研发人员：王飞 孟德昊 庞瑞 邹岩琳 刘甜甜
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2022.11.11
技术公布日：2023/2/3