基于顆粒接觸理論的巖石壓密階段本構(gòu)模型

馬秋峰，秦躍平，周天白，楊小彬

(中國礦業(yè)大學(北京)應(yīng)急管理與安全工程學院，北京，100083)

砂巖是最重要的油氣儲集層，世界上大部分的油氣資源都儲存在砂巖中。此外，砂巖中常常有煤和各種金屬礦床。因此，對于砂巖力學性質(zhì)的研究具有重要的意義。由于砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)Hooke模型不能準確地描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其原因如下：砂巖存在壓密階段，巖石表現(xiàn)出非線性特征；砂巖具有塑性硬化和軟化現(xiàn)象，同樣表現(xiàn)出非線性特征。人們對砂巖的力學性質(zhì)進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)砂巖的強度受到孔隙率的影響，孔隙率越高，砂巖的強度越低[1-3]。同時，砂巖屈服面、硬化函數(shù)、塑性變形同樣受到孔隙率的影響[4-8]。BAUD等[6]分析了不同孔隙率下巖石的單軸抗壓強度，提出了影響巖石強度的含孔隙翼型裂紋模型。KULHAWY[7]認為隨著孔隙的壓密，彈性模量迅速增大。AL-HARTHI 等[8]分析了孔隙率對巖石彈性模量的影響，并建立了考慮孔隙影響的彈性模量模型。ZHAO 等[9-10]提出了各向異性應(yīng)力條件下多孔巖石的三維模型，在該模型中，一部分孔隙內(nèi)的變形用基于自然應(yīng)變的胡克定律描述，另一部分孔隙內(nèi)的變形用基于工程應(yīng)變的胡克定律描述。李連崇等[11]完善了上述模型，并利用該模型實現(xiàn)了FLAC3D開發(fā)。王青元等[12]將巖石峰前變形階段分為2個部分，分別建立了本構(gòu)模型。曹文貴等[13-14]在統(tǒng)計損傷模型的基礎(chǔ)上，采用宏觀與微觀相結(jié)合的方法，將空隙巖石分為巖石骨架和空隙2個部分，建立空隙巖石變形分析模型；……