平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法将断裂力学中裂隙引起的附加应变能增量与损伤力学应变能释放量相关联，并引入非贯通裂隙扩展准则，提出考虑外力时的裂隙岩体损伤变量的计算公式；最终得到能够同时考虑裂隙参数(内因)及受力条件(外因)的非贯通裂隙岩体损伤张量的计算方法，进而建立相应的损伤本构模型。本发明专利技术考虑外力的情况适用于更为一般的应力状态(即不仅包含正应力还包含剪应力，同样也适用于单轴或双轴这种仅包含正应力的应力状态)对岩体损伤变量带来的影响，克服了现有技术中关于外力对裂隙引起的岩体损伤变量计算中仅考虑双轴压力下岩体损伤变量计算，即围压对岩体损伤变量的影响的不足。

Construction method of damage constitutive model for rock mass with non penetrating cracks under plane compression shear stress

The present invention relates to a method for constructing a damage constitutive model of rock mass with incoherent cracks under plane compression-shear stress. The method relates the increment of additional strain energy caused by cracks in fracture mechanics to the release of strain energy in damage mechanics, and introduces the propagation criterion of incoherent cracks, and proposes the calculation of damage variable of fractured rock mass considering external forces. Finally, a method for calculating the damage tensor of rock mass with non-penetrating fractures, which can consider both the fracture parameters (internal factors) and the stress conditions (external factors), is obtained, and the corresponding damage constitutive model is established. Considering external forces, the present invention can be applied to more general stress states (i.e., including not only normal stresses but also shear stresses, but also uniaxial or biaxial stress states which contain only normal stresses) and the influence on rock mass damage variables, thus overcoming the existing techniques on rock mass damage variometers caused by external forces on cracks. In the calculation, only the damage variable of rock mass under biaxial pressure is considered, that is, the influence of confining pressure on the damage variable of rock mass is insufficient.

【技术实现步骤摘要】
平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法
本专利技术属于岩土工程本构模型研究领域，具体涉及一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体本构模型的构建方法，用于采矿、边坡、隧道、公路、坝基等各类岩土工程本构模型的研究。
技术介绍
实际工程中的岩体都是经过漫长而复杂的地质作用形成的，因此均含有众多规模不一的节理、裂隙等天然缺陷，这里统称为裂隙，相应地这类岩体也称为裂隙岩体。裂隙的存在及其相互作用将导致明显的应力集中，进而在很大程度上影响岩体的强度、刚度及破坏模式，因此对裂隙岩体力学特性的研究也成为岩石力学研究中的一个热点和难点问题。由于这类裂隙多属于三到四级结构面，因而具有规模小、数量多且不完全贯通等特点，因此无法逐一考虑。为此，损伤力学则被认为是处理这类问题的有效工具，它认为裂隙是岩体的一种损伤，并由此提出了相应的裂隙岩体损伤本构模型。然而如何采用合适的损伤张量对裂隙进行描述则是裂隙岩体损伤本构模型建立的核心及关键。目前岩体损伤张量定义方法主要包括以下两类：一是以Kawamoto(KawamotoT,IchikawaY,KyoyaT.Deformationandfracturingbehaviorofdiscontinuousrockmassanddamagemechanicstheory[J].InternationalJournalforNumericalAnalysisMethodinGeomechanics,1988,12(1):1-30)和Swoboda等(SwobodaG,ShenXP,RosasL.Damagemodelforjointedrockmassanditsapplicationtotunneling[J].ComputersandGeotechnics,1998,22(3/4):183-203)为代表的几何损伤张量定义方法，即他们采用裂隙表面积、法向矢量及两相邻裂隙的平均间距和岩体体积等参数表示的二阶张量来描述裂隙对岩体造成的各向异性损伤。这是目前裂隙岩体几何损伤理论中常用的损伤张量计算方法，但是其缺陷也是显而易见的。主要是该方法仅考虑了裂隙几何参数如裂隙长度、倾角、条数等对岩体损伤的影响，而未考虑裂隙抗剪强度参数如裂隙内摩擦角及粘聚力的影响，也即是说这种定义方法认为损伤是无法传递应力的，这与拉伸荷载下的岩体力学特性较为接近，而与压缩荷载下的岩体力学特性则相差甚远。这主要是由于在压缩荷载下，裂隙面两侧的岩体将在裂隙面处发生闭合及摩擦滑动，而此时裂隙面将能够传递部分压、剪应力，而且传递系数的大小也与裂隙面的抗剪强度如摩擦角和粘聚力等密切相关。为了更好地考虑裂隙抗剪强度的影响，在几何损伤张量定义方法中又通过引入裂隙传压及传剪系数以考虑压缩荷载下裂隙能够传递部分压、剪应力的特点，但如何准确确定这两个系数又成为新的难题。针对这一问题，其他学者如Li等(LiN,ChenW,ZhangP,etal.Themechanicalpropertiesandafatigue-damagemodelforjointedrockmasssubjectedtodynamiccyclicalloading[J].InternationalJournalofRockMechanics&MiningSciences,2001,38(7):1071-1079)提出了另一类损伤张量计算方法，这里称之为节理几何及强度损伤张量定义方法，即它能够很好地同时考虑非贯通裂隙的几何参数及强度参数(如裂隙内摩擦角)对岩体损伤的影响。然而尽管相对于第一类方法而言，第二类方法已经有了很大的进步，但是仍不完善。众所周知目前学术界为了更完整地刻画裂隙的物理力学性质，提出了裂隙的三类参数即几何参数、强度参数和变形参数(如法向和切向刚度)。而不少研究也表明裂隙变形参数对岩体力学性质同样会产生一定影响。而上述两类裂隙岩体损伤张量计算方法均没有考虑裂隙变形参数的影响。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是：提供一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法。该方法将断裂力学中裂隙引起的附加应变能增量与损伤力学应变能释放量相关联，并引入非贯通裂隙扩展准则，提出考虑外力时的裂隙岩体损伤变量的计算公式；最终得到能够同时考虑裂隙参数(内因)及受力条件(外因)的非贯通裂隙岩体损伤张量的计算方法，进而建立相应的损伤本构模型。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法包括以下步骤：1)采用应变能密度准则判断裂隙扩展，即认为当非贯通裂隙尖端翼裂纹应变能密度S大于最小应变能密度Sc时，尖端翼裂纹开始扩展；当S≤Sc时，非贯通裂隙未发生扩展，非贯通裂隙未发生扩展则进入步骤2)；2)计算裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量：同时考虑内因即岩石试件及裂隙条件、和外因即外力对岩体损伤张量的影响，来计算岩体损伤变量；根据断裂力学，对于平面问题，弹性体因裂隙存在而引起的附加应变能增加量U1为式(1)：式中：G为能量释放率；KⅠ、KⅡ分别为裂隙尖端的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子；A为裂隙表面积；在平面应力状态下E′＝E；在平面应变状态下E′＝E/(1-ν2)，其中，E、υ分别为弹性模量及泊松比；非贯通裂隙岩体在平面压剪应力状态下，其损伤应变能释放率Y为式(2)：其中：σm、σeq分别为静水压力和等效应力；由于为平面问题，因此σx、σy和τxy分别为x、y方向上的正应力及xy平面内的剪应力；D为裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量；若UE表示试件的单位体积弹性应变能，那么在平面应力状态下其可表示为：UE＝-(1-D)Y(3)把式(2)代入式(3)可得式(4)：当岩体内不含裂隙时，则D＝0，此时式(4)变为式(5)：因裂隙存在而引起的单位体积弹性应变能改变量为式(6)：假设研究对象的体积为V，弹性体因裂隙存在而引起的弹性应变能改变量为式(7)：式(7)中的ΔU和式(1)中的U1都是由裂隙存在而引起的弹性应变能改变量，二者应相等，即：ΔU＝U1(8)进而得出裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量的表达式为式(10)，3)计算各种受力情形下的非贯通裂隙尖端的应力强度因子，代入式(10)即可得到非贯通裂隙导致的岩体在垂直方向上的损伤变量，进而通过张量化即可得到相应的损伤张量；完成平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的建立。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)已有的裂隙岩体损伤张量计算方法仅考虑了裂隙的几何及强度参数对损伤张量计算结果的影响，而没有考虑裂隙变形参数如裂隙法向及切向刚度对损伤张量的影响，而本专利所提出的方法能够同时裂隙的几何参数(如裂隙长度、倾角等)、强度参数(如裂隙摩擦角等)和变形参数(如裂隙法向及切向刚度等)对岩体损伤张量的影响。这样将使得对岩体损伤程度的计算更加准确，进而才能更准确地由此计算岩体的弹性模量、强度等力学参数，最终准确预测相应岩体工程的变形及强度。(2)已有的裂隙岩体损伤张量计算方法仅考虑了裂隙的特性(这里称为内因条件)，而未考虑岩体的受力条件(这里称为外因)，这显然这是也不合适的。根据哲学的观点，任何事物都是受内因及外因共同作用，内容为根本、外因为条件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法包括以下步骤：1)采用应变能密度准则判断裂隙扩展，即认为当非贯通裂隙尖端翼裂纹应变能密度S大于最小应变能密度Sc时，尖端翼裂纹开始扩展；当S≤Sc时，非贯通裂隙未发生扩展，非贯通裂隙未发生扩展则进入步骤2)；2)计算裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量：同时考虑内因即岩石试件及裂隙条件、和外因即外力对岩体损伤张量的影响，来计算岩体损伤变量；根据断裂力学，对于平面问题，弹性体因裂隙存在而引起的附加应变能增加量U1为式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法包括以下步骤：1)采用应变能密度准则判断裂隙扩展，即认为当非贯通裂隙尖端翼裂纹应变能密度S大于最小应变能密度Sc时，尖端翼裂纹开始扩展；当S≤Sc时，非贯通裂隙未发生扩展，非贯通裂隙未发生扩展则进入步骤2)；2)计算裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量：同时考虑内因即岩石试件及裂隙条件、和外因即外力对岩体损伤张量的影响，来计算岩体损伤变量；根据断裂力学，对于平面问题，弹性体因裂隙存在而引起的附加应变能增加量U1为式(1)：式中：G为能量释放率；KⅠ、KⅡ分别为裂隙尖端的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子；A为裂隙表面积；在平面应力状态下E′＝E；在平面应变状态下E′＝E/(1-ν2)，其中，E、υ分别为弹性模量及泊松比；非贯通裂隙岩体在平面压剪应力状态下，其损伤应变能释放率Y为式(2)：其中：σm、σeq分别为静水压力和等效应力；由于为平面问题，因此σx、σy和τxy分别为x、y方向上的正应力及xy平面内的剪应力；D为裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量；若UE表示试件的单位体积弹性应变能，那么在平面应力状态下其可表示为：UE＝-(1-D)Y(3)把式(2)代入式(3)可得式(4)：当岩体内不含裂隙时，则D＝0，此时式(4)变为式(5)：因裂隙存在而引起的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红岩，谢天铖，李凯，何健，袁梦军，冯鑫，侯思雨，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11