岩体幂函数型细观时效破裂三维模型制造技术

本发明专利技术涉及一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型。本发明专利技术适应于三维应力空间条件下应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于这类深部岩体工程在三维应力条件下的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】
岩体幂函数型细观时效破裂三维模型
本专利技术涉及工程岩体三维细观时效破裂分析
，具体涉及一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型。
技术介绍
深部岩体工程开挖后的失稳与破坏往往不是在开挖后立刻发生的，一般都存在着明显的变形破裂时效性和灾变(如岩爆、大变形等)的滞后性，严重危害工程的施工安全与长期运营。目前，在细观方面的时效力学研究成果相对较少。《深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟》一文对锦屏大理岩破裂的时间效应进行了试验和二维数值分析(岩石力学与工程学报，2011，Vol.30No.10:1989-1996)；《锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究》一文应用二维蠕变细观力学模型对锦屏大理岩短期和长期强度特征进行了数值研究(岩土力学，2013，Vol.34No.12:3601-3608)。这类模型是以指数型构建的二维驱动应力和裂纹扩展速度间的关系，用来描述岩石细观层面上的二维时效破裂，适用于平面条件下应力和裂纹扩展速度之间符合指数表达方式的岩体。另外，这类模型还存在如下不足之处：(1)颗粒间的剪切破裂准则是一条与平行粘结正应力平行的水平直线，也即这种剪切破裂准则与平行粘结正应力状态无关，只要平行粘结剪切应力大于或等于固定平行粘结剪切破裂强度，颗粒间即可发生剪切破裂，无法体现岩体中不同平行粘结正应力具有不同平行粘结剪切破裂强度的客观事实；(2)没有考虑粘结力矩的差异作用对接触破坏的影响，将粘结力矩的贡献度对不同岩性的影响均视为一致；(3)对于应力和裂纹扩展速度之间不合符指数表达方式的岩体，这类模型缺乏适应性；(4)对于必须考虑三维应力条件下的深部岩体工程问题，该类二维模型因不能描述三维应力对岩体时效变形破坏的影响，也同样缺乏适应性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，本专利技术适应于三维应力空间条件下应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于这类深部岩体工程在三维应力条件下的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型。上述技术方案中，所述岩体幂函数型细观时效破裂三维模型适用于三维颗粒离散元分析方法、三维颗粒不连续变形分析方法、三维颗粒流形元分析方法。上述技术方案中，考虑扭矩对岩体内部细观颗粒三维粘结法向正应力的贡献程度，所述弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式为岩体内部细观颗粒粘结正应力三维计算公式中设置了扭矩贡献因子考虑弯矩对岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力的贡献程度在扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式中的岩体内部细观颗粒粘结剪应力三维计算公式中设置了弯矩贡献因子在上述公式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结半径，为用于确定扭矩在应力中的贡献程度的扭矩贡献因子，为用于确定弯矩在应力中的贡献程度弯矩贡献因子，I为岩体内部细观颗粒三维粘结的惯性矩，J为岩体内部细观颗粒三维粘结的极惯性矩，A为岩体内部细观颗粒三维粘结面积，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结正应力，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力，分别为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结法向力、切向合力、切向合扭矩和法向弯矩，其中，岩体内部细观颗粒三维粘结法向力式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向的位移增量，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向刚度，+＝符号为加法自反运算符；切向合力式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向力和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向力，其中，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；切向合扭矩式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向扭矩和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向扭矩，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；法向弯矩式中，为岩体内部细观颗粒粘结法向的相对转角增量，为岩体内部细观颗粒粘结切向刚度，-＝符号为减法自反运算符；上述技术方案中，所述考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式包括在岩体细观颗粒粘结时效劣化衰减时，设置了幂函数型与考虑弯扭贡献因子的粘结应力相关的细观颗粒粘结三维劣化衰减模式，见幂函数型更新率：式中，为判断岩体内部细观颗粒三维粘结开始时效劣化衰减时的应力阀值，为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度，为考虑弯扭贡献因子的颗粒三维粘结应力比，，β1为控制幂函数整体变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，β2为控制幂函数上标部分变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，为岩体细观颗粒三维粘结应力；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了三维与考虑弯矩贡献因子的粘结应力相关幂函数型模式，该幂函数型模式中的岩体内部细观颗粒粘结直径随时间逐步劣化衰减，见粘结直径公式式中，为岩体内部细观颗粒粘结随时间劣化衰减的直径，为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的直径，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了岩体内部细观颗粒粘结面积、惯性矩和极惯性矩的时效劣化衰减三维模式，分别见粘结单位厚度为1时的三维粘结面积计算公式粘结单位厚度为1时的三维粘结惯性矩计算公式和粘结单位厚度为1时的三维粘结极惯性矩计算公式其中，β为岩体内部细观颗粒三维粘结直径的时效衰减因子，β的计算公式为其中，A'、I'、J'、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结随时间劣化衰减的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量，A、I、J、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数；同时按照这种三维幂函数型时效劣化衰减模式估算岩体内部细观颗粒三维粘结破裂的初始时间步长增量，见公式其中，为第i个接触的岩体内部细观颗粒粘结直径乘数，nc为第一个岩体内部细观颗粒粘结破裂所需的循环计算的次数，βσ、βτ分别为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度和剪切强度状态下的时效劣化因子，∞为无穷大，岩体细观颗粒三维粘结拉伸强度状态下的时效劣化因子βσ和岩体细观颗粒三维粘结剪切强度状态下的时效劣化因子βτ可分别由公式：根据迭代法或二等法求解这两个方程获得，其中为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度，为岩体内部细观颗粒三维粘结的粘聚力，为岩体内部细观颗粒三维粘结的内摩擦角,Fσ为βσ的函数，Fτ为βτ的函数，π为圆周率。上述技术方案中，所述考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则包括公式：其中，fs为摩尔-库伦细观颗粒三维粘结剪切时效破裂准则，fn为摩尔-库伦细观颗粒三维粘结拉伸时效破裂准则，为第i个接触的含幂函数型时间效应且考虑弯矩贡献因子的岩体细观颗粒三维粘结剪应力，为第i个接触的含幂函数型时间效应且考虑扭矩贡献因子的岩体细观颗粒三维粘结正应力，分别为岩体内部细观颗粒粘结拉伸强度、抗剪强度，为第i个接触的含幂函数型时间效应且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型。2.根据权利要求1所述的岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述岩体幂函数型细观时效破裂三维模型适用于三维颗粒离散元分析方法、三维颗粒不连续变形分析方法、三维颗粒流形元分析方法。3.根据权利要求1所述的岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：考虑扭矩对岩体内部细观颗粒三维粘结法向正应力的贡献程度，所述弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式为岩体内部细观颗粒粘结正应力三维计算公式中设置了扭矩贡献因子考虑弯矩对岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力的贡献程度在扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式中的岩体内部细观颗粒粘结剪应力三维计算公式中设置了弯矩贡献因子在上述公式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结半径，为用于确定扭矩在应力中的贡献程度的扭矩贡献因子，为用于确定弯矩在应力中的贡献程度弯矩贡献因子，I为岩体内部细观颗粒三维粘结的惯性矩，J为岩体内部细观颗粒三维粘结的极惯性矩，A为岩体内部细观颗粒三维粘结面积，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结正应力，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力，分别为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结法向力、切向合力、切向合扭矩和法向弯矩，其中，岩体内部细观颗粒三维粘结法向力式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向的位移增量，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向刚度，+＝符号为加法自反运算符；切向合力式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向力和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向力，其中，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；切向合扭矩式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向扭矩和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向扭矩，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；法向弯矩式中，为岩体内部细观颗粒粘结法向的相对转角增量，为岩体内部细观颗粒粘结切向刚度，-＝符号为减法自反运算符。4.根据权利要求1所述的岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式包括在岩体细观颗粒粘结时效劣化衰减时，设置了幂函数型与考虑弯扭贡献因子的粘结应力相关的细观颗粒粘结三维劣化衰减模式，见幂函数型更新率：式中，为判断岩体内部细观颗粒三维粘结开始时效劣化衰减时的应力阀值，为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度，为考虑弯扭贡献因子的颗粒三维粘结应力比，β1为控制幂函数整体变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，β2为控制幂函数上标部分变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，为岩体细观颗粒三维粘结应力；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了三维与考虑弯矩贡献因子的粘结应力相关幂函数型模式，该幂函数型模式中的岩体内部细观颗粒粘结直径随时间逐步劣化衰减，见粘结直径公式式中，为岩体内部细观颗粒粘结随时间劣化衰减的直径，为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的直径，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了岩体内部细观颗粒粘结面积、惯性矩和极惯性矩的时效劣化衰减三维模式，分别见粘结单位厚度为1时的三维粘结面积计算公式粘结单位厚度为1时的三维粘结惯性矩计算公式和粘结单位厚度为1时的三维粘结极惯性矩计算公式其中，β为岩体内部细观颗粒三维粘结直径的时效衰减因子，β的计算公式为其中，A'、I'、J'、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结随时间劣化衰减的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量，A、I、J、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数；同时按照这种三维幂函数型时效劣化衰减模式估算岩体内部细观颗粒三维粘结破裂的初始时间步长增量，见公式其中，为第i个接触的岩体内部细观颗粒粘结直径乘数，nc为第一个岩体内部细观颗粒粘结破裂所需的循环计算的次数，βσ、βτ分别为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度和剪切强度状态下的时效劣化因子，∞为无穷大，岩体细观颗粒三维粘结拉伸强度状态下的时效劣化因子βσ和岩体细观颗粒三维粘结剪切强度状态下的时效劣化因子βτ可分别由公式：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄书岭，丁秀丽，李欢，邬爱清，徐平，董志宏，高源，朱良韬，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42