一种岩石弹性介质弹性模量测算方法及系统

1.本发明涉及弹性模量测算技术领域，特别是涉及一种岩石弹性介质弹性模量测算方法及系统。


背景技术：

2.众所周知，岩石弹性模量是表征岩石弹性变形特征的基本力学指标。然而，经历亿万年的地质作用，岩石内部广泛分布的微观孔隙和裂纹，其应力
–
应变关系也表现出强烈的非线性特征，此类岩石被称为“非线性弹性岩石”。常规的岩石弹性模量确定方法多以岩石应力应变曲线的线性弹性阶段的切向斜率来确定。采用这种方法，测出的岩石的弹性模量具有较大的离散性，对工程应用造成了很多不便。究其原因，同一种岩性，由于赋存条件和所受地质作用的差异，岩石内部的孔隙率不同。而孔隙率的是岩石线弹性变形阶段切向模量e
t
的重要影响因素。一般地，当孔隙率越大，岩石线弹性变形阶段切向模量e
t
就越小；反之，就越大。显然，常规测出的岩石线弹性变形阶段切向模量e
t
是岩石中弹性介质和孔隙率综合作用的结果，采用岩石线弹性变形阶段切向模量et来衡量非线性弹性类岩石的变形特性不够准确。因此，亟需一种不受孔隙率的影响，且具有工程或科学意义的弹性模量的测算方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种岩石弹性介质弹性模量测算方法及系统，准确测算岩石的弹性介质弹性模量，促进深部非线性岩石力学体系的构建。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种岩石弹性介质弹性模量测算方法,包括：
6.获取岩石弹性变形过程数据信息；
7.基于所述岩石弹性变形过程数据信息生成岩石应力-应变曲线；
8.基于所述岩石应力-应变曲线建立所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型；
9.基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量。
10.进一步地，生成所述岩石应力-应变曲线包括：
11.实施单轴加载下的岩石弹性变形试验，测量岩石弹性变形过程的应力、应变数据，基于所述应力、应变数据获取所述岩石的应力-应变曲线。
12.进一步地，进行所述单轴加载下的岩石弹性变形试验时，加载过程中最大荷载为岩石加载破坏峰值荷载的一半，用于保证测得的岩石应力、应变数据处于弹性变形阶段。
13.进一步地，建立所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型包括：
14.根据单轴压缩条件下所述岩石应力-应变曲线呈向下凸的特点，基于双曲线拟合所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数，获得所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型。
15.进一步地，所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型为：
[0016][0017]
其中，σ为应力，ε为应变，a、b为模型的待定系数。
[0018]
进一步地，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数时采用最小二乘法。
[0019]
进一步地，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数包括：
[0020]
构建所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的渐近线模型，采用非线性拟合方法，对实测应变、应力数据进行拟合，计算所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数。
[0021]
进一步地，基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量包括：
[0022]
基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数计算所述渐近线模型的斜率，所述斜率即为所述岩石的弹性介质弹性模量e0，公式为：
[0023][0024]
为进一步优化技术方案，本发明还提供了一种岩石弹性介质弹性模量测算系统，包括：
[0025]
数据获取模块，用于基于岩石弹性变形试验获取岩石弹性变形过程的应力、应变数据；
[0026]
模型构建模块，用于基于所述岩石弹性变形过程的应力、应变数据绘制岩石应力-应变曲线，并通过所述岩石应力-应变曲线构建所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型；
[0027]
测算模块，用于基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量。
[0028]
本发明的有益效果为：
[0029]
本发明将岩石视为孔隙和弹性介质两部分组成的弹性体，由于弹性介质独立于孔隙，其弹性模量不受孔隙率的影响，更能准确反映岩石的弹性力学特性，因此提出了一种“岩石弹性介质弹性模量”新概念，并根据所建立的岩石应力-应变曲线的双曲线模型，以及模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系，实现了只用岩石单轴加载弹性变形过程的应力-应变曲线，即可测算岩石的弹性介质弹性模量，对深部非线性岩石力学体系的构建具有重要的促进作用。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明实施例的一种岩石弹性介质弹性模量测算方法流程图；
[0032]
图2为本发明实施例的岩石弹性变形过程的应力-应变曲线图；
[0033]
图3为本发明实施例的岩石应力-应变曲线实测结果与双曲线拟合结果对比图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0036]
实施例一
[0037]
本实施例提供了一种岩石弹性介质弹性模量测算方法，如图1所示，包括：
[0038]
s1.开展单轴加载下标准岩石试件弹性变形试验，测出岩石弹性变形过程的应力、应变数据，画出待测岩石的应力-应变曲线。
[0039]
为了使测得的岩石应力、应变处于弹性变形阶段(即荷载去除后，岩石变形能够完全恢复，包括压密阶段和线弹性阶段)，加载过程中最大荷载定为岩石加载破坏峰值荷载的一半。
[0040]
s2.建立岩石应力-应变曲线的双曲线模型，并基于最小二乘法确定岩石应力-应变曲线双曲线模型的待定系数。
[0041]
先根据单轴压缩条件下岩石试件的应力－应变曲多呈下凸的特点，建立用双曲线拟合应力－应变非线性曲线的数学模型，即：
[0042][0043]
其中，σ为应力，ε为应变，a、b为模型的待定系数。
[0044]
该双曲线的渐近线为：
[0045][0046]
再利用非线性拟合方法，对实测的(ε，σ)数据点进行拟合，得到最优的待定系数a和b。
[0047]
s3.利用双曲线模型计算岩石弹性介质弹性模量。
[0048]
在应力趋于无穷大时，孔隙趋于完全压密状态，此时岩石可视为只有弹性介质组成的弹性体，孔隙率为0，岩石的应力应变双曲线趋近于其渐进线，岩石的极限切向弹模就等于弹性介质的弹模，等于渐进线的斜率，即：
[0049][0050]
由上式可知，岩石弹性介质弹性模量与应力-应变曲线双曲线模型的待定系数a、b有关，通过a、b即可测算出岩石弹性介质弹性模量e0。
[0051]
实施例二
[0052]
本实施例以峰值强度为240mpa的花岗岩为例。
[0053]
s1.开展单轴加载下岩石标准试件变形试验，荷载从0mpa加载到120mpa，测出岩石弹性变形过程的应力、应变数据，画出待测岩石弹性变形过程的应力-应变曲线，如图2所示。
[0054]
s2.建立岩石应力-应变曲线的双曲线模型并求解，由图2可以看出，应力和应变关系呈现为向下凸的非线性曲线，近似服从双曲线关系。
[0055]
基于最小二乘法对岩石应力-应变曲线进行非线性拟合，如图3所示，可以看出，实测结果与拟合曲线相关系数可达0.9999，二者高度相关，拟合结果合理。非线性拟合确定的双曲线模型待定系数a和b，分别为：
[0056][0057]
s3.利用双曲线模型计算岩石弹性介质弹性模量，可得岩石弹性介质弹性模量为：
[0058][0059]
因此，可得所测岩样弹性介质弹性模量为e0＝11.924
×
104mpa，按照常规的方法，岩样的线弹性变形阶段切向模量计算为e
t
＝9.6534
×
104mpa。e0的计算已经剔除了岩石孔隙率的影响，为岩样孔隙率为0时的弹性模量，一般要比e
t
(受孔隙率影响)的计算结果偏大，故e0计算结果合理。
[0060]
实施例三
[0061]
本实施例提供了一种岩石弹性介质弹性模量测算系统，包括：
[0062]
数据获取模块，用于基于岩石弹性变形试验获取岩石弹性变形过程的应力、应变数据；
[0063]
模型构建模块，用于基于岩石弹性变形过程的应力、应变数据绘制岩石应力-应变曲线，并基于岩石应力-应变曲线构建岩石应力-应变曲线的双曲线模型；
[0064]
计算模块，用于基于岩石应力-应变曲线的双曲线模型计算岩石弹性介质弹性模量；
[0065]
数据获取模块、模型构建模块和计算模块顺序连接。
[0066]
本发明将岩石视为孔隙和弹性介质两部分组成的弹性体，由于弹性介质独立于孔隙，其弹性模量不受孔隙率的影响，更能准确反映岩石的弹性力学特性，因此提出了一种“岩石弹性介质弹性模量”新概念，并根据所建立的岩石应力-应变曲线的双曲线模型，以及模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系，实现了只用岩石单轴加载弹性变形过程的应力-应变曲线，即可测算岩石的弹性介质弹性模量，对深部非线性岩石力学体系的构建具有重要的促进作用。
[0067]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，包括：获取岩石弹性变形过程数据信息；基于所述岩石弹性变形过程数据信息生成岩石应力-应变曲线；基于所述岩石应力-应变曲线建立所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型；基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量。2.根据权利要求1所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，生成所述岩石应力-应变曲线包括：实施单轴加载下的岩石弹性变形试验，测量岩石弹性变形过程的应力、应变数据，基于所述应力、应变数据获取所述岩石的应力-应变曲线。3.根据权利要求2所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，进行所述单轴加载下的岩石弹性变形试验时，加载过程中最大荷载为岩石加载破坏峰值荷载的一半，用于保证测得的岩石应力、应变数据处于弹性变形阶段。4.根据权利要求1所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，建立所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型包括：根据单轴压缩条件下所述岩石应力-应变曲线呈向下凸的特点，基于双曲线拟合所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数，获得所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型。5.根据权利要求1所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型为：其中，σ为应力，ε为应变，a、b为模型的待定系数。6.根据权利要求4所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数时采用最小二乘法。7.根据权利要求4所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，获取所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数包括：构建所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的渐近线模型，采用非线性拟合方法，对实测应变、应力数据进行拟合，计算所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数。8.根据权利要求7所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法，其特征在于，基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量包括：基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线数学模型的待定系数计算所述渐近线模型的斜率，所述斜率即为所述岩石的弹性介质弹性模量e0，公式为：9.一种基于权利要求1所述的岩石弹性介质弹性模量测算方法的测算系统，包括：数据获取模块，用于基于岩石弹性变形试验获取岩石弹性变形过程的应力、应变数据；模型构建模块，用于基于所述岩石弹性变形过程的应力、应变数据绘制岩石应力-应变曲线，并通过所述岩石应力-应变曲线构建所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型；
测算模块，用于基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量。

技术总结
本发明涉及一种岩石弹性介质弹性模量测算方法及系统，包括：获取岩石弹性变形过程数据信息；基于所述岩石弹性变形过程数据信息生成岩石应力-应变曲线；基于所述岩石应力-应变曲线建立所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型；基于所述岩石应力-应变曲线的双曲线模型测算岩石弹性介质弹性模量。本发明实现了只用岩石单轴加载弹性变形过程的应力-应变曲线，即可测算岩石的弹性介质弹性模量，对深部非线性岩石力学体系的完善具有重要的促进作用。性岩石力学体系的完善具有重要的促进作用。性岩石力学体系的完善具有重要的促进作用。


技术研发人员：高祥 杨科 殷志强 李英明 张向阳 张庆贺
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/22