专利摘要
本发明公开一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，包括：岩样横截面进行区域细分；扫描得到初始状态及受损后每圈层CT平均值CTave(m)；建立分阶段层进式冻融损伤模型；建立未分圈层岩样CT值与弹性模量、孔隙率的关系；求得步骤中分圈层岩样CT值对应的弹性模量与孔隙率，结合冻融循环次数下的孔隙率变化、弹模损伤率变化、细观孔隙变化图像等定量阐明层进式损伤的发育演化规律；本发明能够精确确定岩样各细分区域的受损程度，并且判断岩样各圈层在表层剥落前后的演化规律。
权利要求
1.一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)：选择形状和尺寸相同的A、B、C三组岩样，A组为端面未分圈层岩样，B、C组为分圈层岩样；
步骤2)：将B组岩样端面划分为m个圆，在进行岩石损伤试验前和试验后分别进行CT扫描分析，每一环平均CT值CTave(m)的计算公式如下：
式中：s(m)为第m圆的面积；s(m-1)为第m-1圆的面积；CT(m)为第m圆的扫描CT值；CT(m-1)为第m-1圆的扫描CT值；
步骤3)：比较岩石损伤试验前和试验后每一环平均CT值CTave(m)的变化情况，选择CTave(m)变化最大的一环为主要损伤区；
步骤4)：根据步骤3)确定的主要损伤区，在C组岩样主要损伤区所在的环上划分多个圈层，做岩石损伤试验后进行CT扫描分析，建立分阶段层进式冻融损伤模型；
步骤5)：对A组岩样进行多次岩石损伤试验，然后对岩样分别进行CT扫描试验、单轴压缩试验和孔隙率测试试验，依据测得试验数据，建立CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式；
步骤6)：依据步骤5)建立的CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式，求得C组岩样测得的CT值对应的弹性模量和孔隙率；
步骤7)：结合冻融循环次数下的孔隙率变化、弹模损伤率变化、细观孔隙变化图像定量阐明层进式损伤的发育演化规律。
2.根据权利要求1所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：所述岩石损伤试验为干湿循环试验或冻融循环试验或蠕变试验或循环加卸载试验。
3.根据权利要求1所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：所述步骤4)中，在C组岩样主要损伤区所在的环上划分4个圈层。
4.根据权利要求3所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：所述步骤4)中，在建立分阶段层进式冻融损伤模型的过程中，当最外圈层剥落后，C组岩样主要损伤区向内再划分一圈层，经岩石损伤试验后进行CT扫描分析。
5.根据权利要求1所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：所述步骤5)中，对A组岩样进行多次岩石损伤试验时，其CT值是根据高度每隔14mm扫描一次，再对其求平均值，得到的岩样整体平均CT值。
6.根据权利要求1所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：它还包括验证步骤如下：
步骤8)：根据弹性模量和孔隙率分别随冻融循环次数的变化规律，导出两者的互推公式，具体过程如下：
步骤8.1)：随着冻融循环次数的增加，岩样弹性模量的损失率和孔隙率变化量也随之增大，且其与冻融循环次数呈正比；设0次冻融循环到n次冻融循环弹性模量的损失率为：
式1中：E0为0次冻融循环时岩样的弹性模量值；En为n次冻融循环时岩样的弹性模量值；kE为单位冻融循环次数内的弹性模量损失率；
变换得：
步骤8.2)：设从0次冻融循环到n次冻融循环孔隙率变化量为
Pn-P0＝kPn(kP>0) (式3)
式3中：P0为0次冻融循环时岩样的孔隙率值；Pn为n次冻融循环时岩样的孔隙率值；kp—单位冻融循环次数内孔隙率变化量；
变换得：
步骤8.3)：将式2和式4积分后联立，得：
步骤9)：定义式5中ω＝kE/kP为岩样冻融弹性模量劣化因子，并按如下过程求得ω值：
步骤9.1)：对于权利要求1中所述步骤6)的C组岩样弹性模量的数据，采用如下公式进行残余弹性模量ξ计算：
步骤9.2)：建立与式5相同形式的残余弹性模量数据拟合函数，求得一、二、三、四损伤区和内层所对应的ω1、ω2、ω3、ω4、ω0；
步骤9.3)：结合权利要求1中所述步骤1)的层进式区域划分的方法对岩样整体进行划分，将ω1、ω2、ω3、ω4、ω0按下式7均化得到
式7中：w1、w2、w3、w4为第一损伤区至第四损伤区体积分别占岩样总体积的权重，w0为内层体积所占岩样总体积的权重；
步骤10)：结合步骤8)与步骤9)，建立层进式损伤弹性模量劣化预测公式如下：
其中Δp＝Pn-P0。
7.根据权利要求6所述的一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，其特征在于：与实测弹性模量值或孔隙率对比验证分圈层方法的可行性，其过程如下：
步骤11)：对弹性模量验证：将A组岩样冻融前后的孔隙率和初始状态弹性模量的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后弹性模量值，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实弹性模量值对比，分析层进式方法的可行性；
步骤12)：对孔隙率验证：将A组岩样冻融前后的弹性模量值和初始状态孔隙率的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后孔隙率，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实孔隙率对比，分析层进式方法的可行性。
说明书
技术领域
本发明涉及岩石劣化分析技术领域，具体地指一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法。
背景技术
随着科学研究的深入，现在对岩样进行损伤分析的方法大多是对受损岩样进行损伤试验后再进行单轴压缩试验等，通过分析宏观参数的规律来判断其损伤程度。或损伤试验后再进行CT扫描后的成像的明暗程度与CT值的大小来分析岩石内部的受损程度，但都有如下不足：
①通过分析宏观参数的规律来判断其损伤程度，虽能得到岩石整体损伤试验后的劣化规律，但无法反映出岩样各个层面的损伤不均匀性。②用肉眼对CT图像进行明暗对比；岩石某一层面的CT扫描图，图形越亮，表示岩石致密性越好。利用此方法虽然可以直观的观测出岩石内部的孔隙对比，大致得出岩石的损伤规律，却无法对其进行一个量化的分析，无法精确确定受损范围。③取整个扫描层面的CT平均值作为扫描层面致密性的判断标准。但该方法无法反映岩样内部的损伤对比，以该CT值作为判断依据的话，无法反映出扫描层面的不均匀性。
另外，冻融循环一定次数使岩样表层剥落，但剥落前与剥落后的对内部圈层演化规律也无定量的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，能够精确确定岩样各细分区域的受损程度，并且判断岩样各圈层在表层剥落前后的演化规律。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，它包括如下步骤：
步骤1)：选择形状和尺寸相同的A、B、C三组岩样，A组为端面未分圈层岩样，B、C组为分圈层岩样；
步骤2)：将B组岩样端面划分为m个圆，在进行岩石损伤试验前和试验后分别进行CT扫描分析，每一环平均CT值CTave(m)的计算公式如下：
式中：s(m)为第m圆的面积；s(m-1)为第m-1圆的面积；CT(m)为第m圆的扫描CT值；CT(m-1)为第m-1圆的扫描CT值；
步骤3)：比较岩石损伤试验前和试验后每一环平均CT值CTave(m)的变化情况，选择CTave(m)变化最大的一环为主要损伤区；
步骤4)：根据步骤3)确定的主要损伤区，在C组岩样主要损伤区所在的环上划分多个圈层，做岩石损伤试验后进行CT扫描分析，建立分阶段层进式冻融损伤模型；
步骤5)：对A组岩样进行多次岩石损伤试验，然后对岩样分别进行CT扫描试验、单轴压缩试验和孔隙率测试试验，依据测得试验数据，建立CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式；
步骤6)：依据步骤5)建立的CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式，求得C组岩样测得的CT值对应的弹性模量和孔隙率。
步骤7)：结合冻融循环次数下的孔隙率变化、弹模损伤率变化、细观孔隙变化图像定量阐明层进式损伤的发育演化规律。
优选地，所述岩石损伤试验为干湿循环试验或冻融循环试验或蠕变试验或循环加卸载试验。
优选地，所述步骤4)中，在C组岩样主要损伤区所在的环上划分4个圈层。
更为优选地，所述步骤4)中，在建立分阶段层进式冻融损伤模型的过程中，当最外圈层剥落后，C组岩样主要损伤区向内再划分一圈层，经岩石损伤试验后进行CT扫描分析。
优选地，所述步骤5)中，对A组岩样进行多次岩石损伤试验时，其CT值是根据高度每隔14mm扫描一次，再对其求平均值，得到的岩样整体平均CT值。
优选地，它还包括验证步骤如下：
步骤8)：根据弹性模量和孔隙率分别随冻融循环次数的变化规律，导出两者的互推公式，具体过程如下：
步骤8.1)：随着冻融循环次数的增加，岩样弹性模量的损失率和孔隙率变化量也随之增大，且其与冻融循环次数呈正比；设0次冻融循环到n次冻融循环弹性模量的损失率为：
式1中：E0为0次冻融循环时岩样的弹性模量值；En为n次冻融循环时岩样的弹性模量值；kE为单位冻融循环次数内的弹性模量损失率；
变换得：
步骤8.2)：设从0次冻融循环到n次冻融循环孔隙率变化量为Pn-P0＝kPn(kP＞0)(式3)
式3中：P0为0次冻融循环时岩样的孔隙率值；Pn为n次冻融循环时岩样的孔隙率值；kp—单位冻融循环次数内孔隙率变化量；
变换得：
步骤8.3)：将式2和式4积分后联立，得：
步骤9)：定义式5中ω＝kE/kP为岩样冻融弹性模量劣化因子，并按如下过程求得ω值：
步骤9.1)：对于权利要求1中所述步骤6)的C组岩样弹性模量的数据，采用如下公式进行残余弹性模量ξ计算：
步骤9.2)：建立与式5相同形式的残余弹性模量数据拟合函数，求得一、二、三、四损伤区和内层所对应的ω1、ω2、ω3、ω4、ω0；
步骤9.3)：结合权利要求1中所述步骤1)的层进式区域划分的方法对岩样整体进行划分，将ω1、ω2、ω3、ω4、ω0按下式7均化得到
式7中：w1、w1、w1、w4为第一损伤区至第四损伤区体积分别占岩样总体积的权重，w0为内层体积所占岩样总体积的权重；
步骤10)：结合步骤8)与步骤9)，建立层进式损伤弹性模量劣化预测公式如下：
其中Δp＝Pn-P0。
更为优选地，与实测弹性模量值或孔隙率对比验证分圈层方法的可行性，其过程如下：
步骤11)：对弹性模量验证：将A组岩样冻融前后的孔隙率和初始状态弹性模量的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后弹性模量值，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实弹性模量值对比，分析层进式方法的可行性；
步骤12)：对孔隙率验证：将A组岩样冻融前后的弹性模量值和初始状态孔隙率的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后孔隙率，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实孔隙率对比，分析层进式方法的可行性。
本发明的有益效果：
1、目前CT扫描时只是以有限点的CT平均值反映所有的CT平均值，无法精确反映岩石的受损程度。而本方法通过划分样环及后期将样环细分成圈层的方式，然后利用公式，得到各样环及圈层的平均CT值，通过对比样环及圈层内CT值的变化值(变化波动越明显，受损程度就越大)就能精确确定岩样各细分区域的受损程度。
2、将岩石冻融损伤分为表层剥落前损伤过程和表层剥落后损伤过程，可以判断岩样各圈层在表层剥落前后的演化规律。
3、操作简单，不需频繁操作。直径为0.5厘米圆柱形岩样受损范围的CT值测试所需最少时间为10分钟,单轴压缩和孔隙率测试所需时间更久，而使用本方法只需建立CT值与孔隙率、弹性模量的关系，即可推算出对应细分圈层的孔隙率或弹性模量或CT值，大大节省了操作时间。
4.通过CT值与孔隙率、弹性模量的关系可以解决现有方法无法得到狭窄细小区域的弹性模量及孔隙率等问题。
5、结合冻融循环次数下的孔隙率变化、弹模损伤率变化、细观孔隙变化图像演化等可定量阐明层进式损伤的发育演化规律。
6、根据弹性模量、孔隙率与冻融循环次数变化的互推公式。定义ω＝kE/kP为岩样冻融弹性模量劣化因子，将岩样不同损伤区进行划分，按每区域体积占岩样总体的体积确定权重，即可确定ω值，这样计算更加准确、科学。
7、根据建立层进式损伤弹性模量劣化预测公式，将未划分圈层岩样冻融前后的孔隙率和初始状态弹性模量的数据代入式，计算得出岩样冻融后弹性模量值，与未划分圈层岩样的弹性模量真实值对比，即可验证此方法的可行性。
附图说明
图1为CT扫描各环区域划分图；
图2为主要损伤区细分区域划分图；
图3为CT值与弹性模量关系图；
图4为CT值与孔隙率关系图；
图5为冻融循环次数与弹性模量损失率的关系图；
图6为冻融循环次数与孔隙率变化量的关系图；
图7至10为圈层1至圈层3的细观孔隙演化图；
图11为残余弹性模量与孔隙率变化量关系图；
图12为岩样整体损伤的区域划分图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法，它包括如下步骤：
步骤1)：选择形状和尺寸相同的A、B、C三组岩样，A组为端面未分圈层岩样，B、C组为分圈层岩样；
步骤2)：如图1所示，将B组岩样端面划分为m个圆，本实施例中划分了5个圆，在进行岩石损伤试验前和试验后分别进行CT扫描分析，每一环平均CT值CTave(m)的计算公式如下：
式中：s(m)为第m圆的面积；s(m-1)为第m-1圆的面积；CT(m)为第m圆的扫描CT值；CT(m-1)为第m-1圆的扫描CT值；
步骤3)：比较岩石损伤试验前和试验后每一环平均CT值CTave(m)的变化情况，选择CTave(m)变化最大的一环为主要损伤区；如图2所示，本次的岩石损伤试验采用冻融循环40次，环5的CT值变化>>环1-4的CT值变化，故定义环5名称为主要损伤区；
步骤4)：根据步骤3)确定的主要损伤区，在C组岩样主要损伤区所在的环上将其细分为1-4圈层，剩余的为内圈层，做岩石损伤试验后进行CT扫描分析，建立分阶段层进式冻融损伤模型；
步骤5)：对A组岩样进行多次岩石损伤试验，然后对岩样分别进行CT扫描试验、单轴压缩试验和孔隙率测试试验，依据测得试验数据，建立CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式(如图3和4)；本实施例中，对A组岩样进行最少0次，最多120次的冻融循环，具体如下表所示：
表1 A组岩样试验数据表
步骤6)：依据步骤5)建立的CT值与弹性模量、孔隙率的线性互推公式，求得C组岩样测得的CT值对应的弹性模量和孔隙率。
步骤7)：结合冻融循环次数下的孔隙率变化、弹模损伤率变化、细观孔隙变化图像定量阐明层进式损伤的发育演化规律(如图5和6)。
具体地，图5分析方式为：
定义km为冻融循环阶段弹性模量损失速率，ηn为冻融循环n次后弹性模量损失率，η0为冻融前弹性模量损失率，计算公式为， 对km分析即可得到变化规律。
在对图5进行分析时，可以以每个圈层弹性模量降为0时的冻融循环次数为节点，将整个冻融循环过程划分为3个阶段，如阶段一：圈层1的弹性模量损失速率k1加剧，而圈层2-4的弹性模量损失速率k2,k3,k4变化平缓，具体地以下表2进行说明：
表2各个阶段km值变化表
表2分析可知，只要外圈层未剥落，内圈层弹模损失率变化相对于外圈层很小。外圈层剥落后，内圈层弹模损失率会剧增。
图6分析方式为：
孔隙率分析除了可以按照图5分析方式分析外，还可结合细观孔隙变化图像进行分析(如图7至10)。损伤规律为：圈层1孔隙逐步扩张后剥落→圈层2重复圈层1的损伤过程→圈层2的损伤逐步加深直至剥落，圈层3、圈层4及其他内圈层损伤以此规律逐层向内加深。
所述岩石损伤试验为干湿循环试验或冻融循环试验或蠕变试验或循环加卸载试验，而本实施例采用的是冻融循环试验。
更为优选地，所述步骤4)中，在建立分阶段层进式冻融损伤模型的过程中，当最外圈层剥落后，C组岩样主要损伤区向内再划分一圈层，经岩石损伤试验后进行CT扫描分析。例如第一阶段：表层剥落前损伤过程：发生在岩样主要损伤区的层进式损伤，外层损伤会显著大于内层损伤；第二阶段：表层剥落后损伤过程：圈层1大范围剥落，圈层2演化为最外侧圈层，内圈层未受冻融影响区域(厚度为1.25mm)演化为之前的圈层4，重复第一阶段损伤过程。
优选地，所述步骤5)中，对A组岩样进行多次岩石损伤试验时，其CT值是根据高度每隔14mm扫描一次，再对其求平均值，得到的岩样整体平均CT值。
优选地，它还包括验证步骤如下：
步骤8)：根据弹性模量和孔隙率分别随冻融循环次数的变化规律，导出两者的互推公式，具体过程如下：
步骤8.1)：随着冻融循环次数的增加，岩样弹性模量的损失率和孔隙率变化量也随之增大，且其与冻融循环次数呈正比；设0次冻融循环到n次冻融循环弹性模量的损失率为：
式1中：E0为0次冻融循环时岩样的弹性模量值；En为n次冻融循环时岩样的弹性模量值；kE为单位冻融循环次数内的弹性模量损失率；
变换得：
步骤8.2)：设从0次冻融循环到n次冻融循环孔隙率变化量为Pn-P0＝kPn(kP＞0)(式3)
式3中：P0为0次冻融循环时岩样的孔隙率值；Pn为n次冻融循环时岩样的孔隙率值；kp—单位冻融循环次数内孔隙率变化量；
变换得：
步骤8.3)：将式2和式4积分后联立，得：
步骤9)：定义式5中ω＝kE/kP为岩样冻融弹性模量劣化因子，并按如下过程求得ω值：
步骤9.1)：对于权利要求1中所述步骤6)的C组岩样弹性模量的数据，采用如下公式进行残余弹性模量ξ计算：
步骤9.2)：建立与式5相同形式的残余弹性模量数据拟合函数，求得一、二、三、四损伤区和内层所对应的ω1、ω2、ω3、ω4、ω0；如图11所示
步骤9.3)：结合权利要求1中所述步骤1)的层进式区域划分的方法对岩样整体进行划分，划分图如图12所示，将ω1、ω2、ω3、ω4、ω0按下式7均化得到
式7中：w1、w1、w1、w4为第一损伤区至第四损伤区体积分别占岩样总体积的权重，w0为内层体积所占岩样总体积的权重；即相应区域体积除以岩样总体积的比值为相应权重。
步骤10)：结合步骤8)与步骤9)，建立层进式损伤弹性模量劣化预测公式如下：
其中Δp＝Pn-P0。
更为优选地，与实测弹性模量值或孔隙率对比验证分圈层方法的可行性，其过程如下：
步骤11)：对弹性模量验证：将A组岩样冻融前后的孔隙率和初始状态弹性模量的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后弹性模量值，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实弹性模量值对比，分析层进式方法的可行性；具体地，如下表3：
表3真实值与计算值对比分析表
例如当 冻融循环20次，Δp＝Pn-P0＝1.77-1.26＝0.51，E0＝13.309GPa，将以上数据代入式8得En＝12.1GPa。
步骤12)：对孔隙率验证：将A组岩样冻融前后的弹性模量值和初始状态孔隙率的数据代入式8，计算得出A组岩样冻融后孔隙率，与权利要求1中所述步骤5)得到的A组岩样真实孔隙率对比，分析层进式方法的可行性。本实施例中对孔隙率验证方法同弹性模量验证方法，在此不作赘述。
通过上述验证方法可以看出，误差在允许范围内，分圈层方法可行。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
一种对岩石进行层进式劣化规律研究的方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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