考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及数值模拟技术领域，公开一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，以真实反映真三轴应力条件下岩石类材料强度特性与破坏模式。本发明专利技术方法包括：在FLAC3D数值模拟软件之中，二次开发基于Mogi‑Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式，得到Mogi‑Coulomb本构模型；建立岩石类材料真三轴应力条件下数值模型，对该数值模型赋以基本物理力学参数，加载和调用Mogi‑Coulomb本构模型进行模拟运算以得到相应的数值模拟计算结果。本发明专利技术在进行真三轴条件下岩石类材料破坏特性数值分析时充分考虑了中间主应力对于岩石强度以及破坏模式的影响，使模拟结果更加真实可靠。

Numerical simulation method for real three axis test of rock materials considering intermediate principal stress effect

The invention relates to the field of numerical simulation, and discloses a real three axis numerical simulation method for rock materials taking into account the effect of intermediate principal stress, so as to truly reflect the strength characteristics and failure modes of rock materials under true three axis stress conditions. The method of the invention includes: the FLAC3D numerical simulation software, the two development of finite difference Mogi Coulomb failure criterion based on incremental iterative format, Mogi Coulomb constitutive model of rock material; establish the three axle numerical model should force condition, the numerical model of a basic physical and mechanical parameters, loading and call the Mogi Coulomb constitutive model to simulate the operation to get the corresponding results of the numerical simulation. In the numerical analysis of the failure characteristics of rock materials under the true three axis condition, the influence of intermediate principal stress on rock strength and failure mode is fully considered, and the simulation results are more reliable.

【技术实现步骤摘要】
考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法
本专利技术涉及数值模拟
，尤其涉及一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法。
技术介绍
在深部采矿工程或隧道工程中，高地应力条件下地下工程围岩在开挖前处于三维应力状态，且三个方向的主应力大小不一，此时，我们称岩石处于真三轴应力状态。众多国内外学者采用多种手段研究真三轴应力条件下岩石强度准则以及破坏模式，取得了丰硕的成果。室内试验，被认为是一种直观地、可靠地方式，已经广泛应用于岩石力学与岩石工程之中。因为常规三轴试验无法考虑中间主应力对岩石破坏的影响，Mogi于1970年最早设计出了适用于各种岩石类材料的并可以独立施加三个方向主应力的真三轴试验装置。通过一系列的真三轴试验，他发现中间主应力对于岩石的强度以及破坏模式确实存在着非常重要的影响。当中间主应力逐渐增大时，岩石的峰值强度会呈现先增大后降低的趋势；同时，岩石的破裂角(宏观裂纹与最小主应力方向夹角)随着中间主应力的增大而增大，最终由剪切破坏转变为劈裂(板裂化)破坏。尽管国内外学者在室内真三轴试验装置及其试验方面做出了许多努力和尝试，但是应用数值模拟手段进行真三轴应力条件下岩石类材料破坏特性的研究却较为少见。事实上，采用数值模拟开展相关研究不仅可以节省大量的人力物力，还可以避免试验中所产生的高额费用。当前真三轴数值模拟研究相对匮乏的一个重要原因就是现有商业软件(这里主要指基于有限差分、有限元法原理的数值模拟软件，不包括离散元软件，如PFC等)中内置的本构模型不能够很好反映真三轴条件下岩石类材料的破坏特性。岩石强度准则经过数十年发展，目前已出现多种不同形式的强度准则，比如最大拉应力准则、Griffith准则、Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则等，尽管这些准则在岩石强度理论体系中已成为常用准则，但这些准则都没考虑中间主应力对岩石强度的影响。为了考虑中间主应力影响，不少学者通过理论推导发展了真三轴理论强度准则，比如Drucker-Prager准则、Lade准则以及由此发展起来的一系列理论公式，但是这些准则并不能准确预测岩石的强度，因此并不被广泛的应用于实际之中。1972年，Mogi提出了一个基于广义Von-Mises准则的真三轴破坏准则。由于该公式是八面体剪应力关于平均有效应力的函数，因此Mogi准则充分考虑了中间主应力的作用。尽管这一准则可以很好的预测岩石类材料在真三轴应力条件下的强度特性，但是公式中包含的一些经验常数并没有能够与岩石类材料参数或其固有属性相关联，因此该准则必须通过室内真三轴试验数据进行反演拟合得到，实际意义不大。为了将真三轴破坏准则与常规三轴实验数据相关联，Al-Ajmi和Zimmerman于2005年提出了Mogi-Coulomb(线性版的Mogi准则)破坏准则。该准则不仅考虑了中间主应力的作用，其所包含的参数也可以通过岩石粘聚力和内摩擦角获得。因此，即使不进行室内真三轴试验，这一准则仍然适用。基于此，将Mogi-Coulomb破坏准则引入FLAC3D数值模拟软件之中开展真三轴应力条件下岩石类材料破坏特性的研究，是非常有科研和实际意义的。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，以真实反映真三轴应力条件下岩石类材料强度特性与破坏模式。为达上述目的，本专利技术公开的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，包括：在FLAC3D数值模拟软件之中，用C++语言二次开发基于Mogi-Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式，得到Mogi-Coulomb本构模型；建立岩石类材料真三轴应力条件下数值模型，对该数值模型赋以通过单轴压缩、巴西劈裂试验以及常规三轴压缩试验分别得到基本物理力学参数，所述参数包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、粘聚力C以及内摩擦角根据得到的所述基本物理力学参数，加载和调用所述Mogi-Coulomb本构模型进行模拟运算已得到相应的数值模拟计算结果，在该模拟运算过程中(具体的模拟运算过程可参照附图1)，对试样施加三个方向的应力，水平方向的中间主应力以及最小主应力采用应力加载的方式加以控制，轴压方向的最大主应力采用位移加载的方式施加于试样顶部，并对相关应力、应变值进行实时监测与记录。可选的，在加载和调用所述Mogi-Coulomb本构模型之前，还包括：将C++语言二次开发的基于Mogi-Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式导入至上述FLAC3D数值模拟软件的头文件和源文件中，并生成了基于Mogi-Coulomb本构模型的动态链接库文件，并将该动态链接库文件复制在上述FLAC3D数值模拟软件的安装目录下以供加载和调用。优选地，本专利技术采用平面截断(tension-cutoff)方式进行调用，可以有效避免对于抗拉强度的过高估计。优选地，上述Mogi-Coulomb本构模型与上述FLAC3D数值模拟软件自带的本构模型继承的是同一个基类，以确保两者的执行效率处于同一水平。必要时，还可以对上述数值模型设置边界条件以对相应方向的端部进行约束。本专利技术中，上述Mogi-Coulomb本构模型主要包括弹性增量法则，破坏(屈服)准则和流动法则，塑性修正以及应变软化参数模型四大部分。分述如下：Mogi-Coulomb强度准则是基于广义Von-Mises准则而建立的，表示为：τoct＝a+bσm,2式中，为八面体剪应力；σm,2＝(σ1+σ3)/2，为平均有效应力；σ1，σ2，σ3分别为最大主应力，中间主应力以及最小主应力。优选地，上述Mogi-Coulomb本构模型还包括：不考虑试样的应变硬化行为，将应力应变曲线中峰前阶段全部视为线弹性行为，上述的Mogi-Coulomb破坏准则即为屈服准则。优选地，上述Mogi-Coulomb本构模型还包括：弹性增量法则用通常的应力应变表示的胡克定律增量表达式为：Δτ＝GΔγeΔσ＝KΔee＝KΔεe其中，G和K分别为剪切模量和体积模量；Δτ，Δσ分别表示胡克定律的剪应力，主应力增量；Δγe、Δee/Δεe分别表示胡克定律的剪应变、主应变增量，上标e表示弹性部分。优选地，上述Mogi-Coulomb本构模型还包括：定义剪切破坏包络线fs为：定义拉伸破坏包络线ft为：ft＝σm,2-σt式中，和为与粘聚力和内摩擦角有关的常数，为粘聚剪切抗剪强度，为压力相关系数；σt为岩石抗拉强度，σm,2为平均有效应力；其中，当材料参数不为0时，抗拉强度最大值为：剪切势函数gs在采用非关联流动法则时，将内摩擦角转换为剪胀角，则有：τoct为八面体剪应力，拉伸势函数gt在采用关联流动法则时，内摩擦角等于剪胀角，则有：gt＝σm,2。优选地，上述Mogi-Coulomb本构模型还包括：塑性修正为：首先考虑剪切破坏，根据流动法则可知：式中，λs为待定义的参数，gs为基于非关联流动法则的塑性剪切势函数，Δγp、Δep分别表示塑性阶段剪应变、主应变增量，上标p表示塑性部分；将以及替代Δγe,Δεe，由公式：导出：式中，Δγe、Δee/Δεe分别表示胡克定律的剪应变、主应变增量，Δσi为弹性应力增量；Si为弹性应变增量的线性函数；为弹性应变增量；S1、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，包括：在FLAC3D数值模拟软件之中，用C++语言二次开发基于Mogi‑Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式，得到Mogi‑Coulomb本构模型；建立岩石类材料真三轴应力条件下数值模型，对该数值模型赋以通过单轴压缩、巴西劈裂试验以及常规三轴压缩试验分别得到基本物理力学参数，所述参数包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、粘聚力C以及内摩擦角

【技术特征摘要】
1.一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，包括：在FLAC3D数值模拟软件之中，用C++语言二次开发基于Mogi-Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式，得到Mogi-Coulomb本构模型；建立岩石类材料真三轴应力条件下数值模型，对该数值模型赋以通过单轴压缩、巴西劈裂试验以及常规三轴压缩试验分别得到基本物理力学参数，所述参数包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、粘聚力C以及内摩擦角根据得到的所述基本物理力学参数，加载和调用所述Mogi-Coulomb本构模型进行模拟运算已得到相应的数值模拟计算结果，在该模拟运算过程中，对试样施加三个方向的应力，水平方向的中间主应力以及最小主应力采用应力加载的方式加以控制，轴压方向的最大主应力采用位移加载的方式施加于试样顶部，并对相关应力、应变值等其他参数进行实时监测与记录。2.根据权利要求1所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，在加载和调用所述Mogi-Coulomb本构模型之前，还包括：将C++语言二次开发的基于Mogi-Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式导入至所述FLAC3D数值模拟软件的头文件和源文件中，并生成了基于Mogi-Coulomb本构模型的动态链接库文件，并将该动态链接库文件复制在所述FLAC3D数值模拟软件的安装目录下以供加载和调用。3.根据权利要求1所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型与所述FLAC3D数值模拟软件自带的本构模型继承的是同一个基类。4.根据权利要求1所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，还包括：对所述数值模型设置边界条件以对相应方向的端部进行约束。5.根据权利要求1至4任一所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型包括：Mogi-Coulomb强度准则是基于广义Von-Mises准则而建立的，表示为：τoct＝a+bσm,2式中，为八面体剪应力；σm,2＝(σ1+σ3)/2，为平均有效应力；σ1，σ2，σ3分别为最大主应力，中间主应力以及最小主应力。6.根据权利要求1至4任一所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型包括：不考虑试样的应变硬化行为，将应力应变曲线中峰前阶段全部视为线弹性行为，所述的Mogi-Coulomb破坏准则即为屈服准则。7.根据权利要求1至4任一所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型包括：弹性增量法则用通常的应力应变表示的胡克定律增量表达式为：Δτ＝GΔγeΔσ＝KΔee＝KΔεe其中，G和K分别为剪切模量和体积模量；Δτ，Δσ分别表示胡克定律的剪应力，主应力增量；Δγe、Δee/Δεe分别表示胡克定律的剪应变、主应变增量，上标e表示弹性部分。8.根据权利要求1至4任一所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型包括：定义剪切破坏包络线fs为：定义拉伸破坏包络线ft为：ft＝σm,2-σt式中，和为与粘聚力和内摩擦角有关的常数，为粘聚剪切抗剪强度，为压力相关系数；σt为岩石抗拉强度，σm,2为平均有效应力；其中，当材料参数不为0时，抗拉强度最大值为：剪切势函数gs在采用非关联流动法则时，将内摩擦角转换为剪胀角，则有：τoct为八面体剪应力，拉伸势函数gt在采用关联流动法则时，内摩擦角等于剪胀角，则有：gt＝σm,2。9.根据权利要求1至4任一所述的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，其特征在于，所述Mogi-Coulomb本构模型包括：塑性修正为：首先考虑剪切破坏，根据流动法则知：

【专利技术属性】
技术研发人员：冯帆，李夕兵，李地元，贾马尔·罗斯塔米，杜坤，彭定潇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43