新型岩体损伤本构模型构建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种新型岩体损伤本构模型构建方法，包括下列步骤：步骤S10：基于应变等效原理，加入损伤材料的承载力系数，获取修正的岩石损伤本构模型；步骤S20：分别计算节理的宏观损伤张量和微裂纹的微观损伤变量，根据叠加原理建立宏微观损伤的节理岩体力学模型；步骤S30：根据损伤力学理论，构建得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型。本发明专利技术提供的新型岩体损伤本构模型构建方法及装置提供了一种原理简单、操作方便、成本低廉、结果合理可靠的考虑宏观和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型，应用该岩体损伤本构模型在开挖边坡工程设计时，可准确合理地圈定开采范围。

【技术实现步骤摘要】
新型岩体损伤本构模型构建方法及装置
本专利技术涉及岩土工程本构模型研究领域，特别是涉及一种新型岩体损伤本构模型构建方法及装置。
技术介绍
岩石是一种天然地质材料，其内部包含各种随机分布的缺陷，在外载荷作用下，这些缺陷将繁衍和发展，岩石内部结构力学性能也将连续发生变化。岩石的损伤破坏过程实际上是从微观的结构破坏到细观上缺陷的形成，最后发展成为宏观裂纹的贯通破坏，其实际上是一个从量变到质变的过程。统计损伤力学是研究岩石破裂过程的有效方法。在弹性损伤分析中，目前尚不能从理论上推导出准脆性材料性能的分布函数，一个简单的改进途径是尝试其他不同的强度概率分布形式。对岩石类材料破坏过程分析中，常采用Weibull分布、正态分布、类Weibull分布做较全面的讨论和剖析，较多地采用对数正态分布作为改进方法，适于构造弹性损伤分析中细观概率体元，同时也证明了应当排除正态分布和类Weibull分布在弹性损伤概率模型中的应用。损伤力学在岩体工程中的应用包括：静力学到动力学、弹性到弹塑性、完整岩石到含微缺陷的岩体等。但是由于岩体工程的复杂性、不确定性以及理论方法、试验条件的限制，岩体损伤问题还有待深入研究。总而言之，损伤力学之所以能应用在岩体(石)力学中，就是因为岩石内部是含有微缺陷(微裂纹、微孔洞等)、具有初始损伤的材料，但是目前的损伤模型中却未考虑岩石中的微缺陷，而微缺陷并不会因宏观缺陷的存在而缺失，因此，将宏观缺陷视为岩体性质发生劣化的决定性因素，然后结合统计强度理论来研究岩石的损伤演化过程是较为合理的。有相关研究人员将岩体材料分为空隙和骨架两部分，从岩石变形力学过程与力学机理来分析岩石的变形破坏，忽视了损伤部分仍具有承载力。假定损伤部分的应变与未损伤部分的应变是相互协调的，然而加载过程中岩石不断产生新的微裂纹，原生初始裂纹也将不断扩展、贯通甚至形成宏观裂纹，岩石中裂纹的尺寸和密度都将产生变化，相应的对岩石各部分变形非协调性产生新的影响，其建立的模型曲线与试验曲线仍有较大差距，且未考虑损伤部分与空隙之间的联系，仅将岩石材料分为空隙和骨架两部分研究欠妥，因此，有必要进一步完善基于损伤理论的岩石变形全过程的模拟研究。相关实验表明：岩体内同时存在的宏微观损伤均对岩体的力学性质产生影响，且它们之间还可能存在着复杂的相互作用。因此，如何更好地同时反映这两类缺陷对岩体动态力学性质的影响则是目前岩体动态损伤力学研究中一个亟待解决的重要课题。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种新型岩体损伤本构模型构建方法。一种新型岩体损伤本构模型构建方法，包括下列步骤：步骤S10：基于应变等效原理，加入损伤材料的承载力系数，获取修正的岩石损伤本构模型；步骤S20：分别计算节理的宏观损伤张量和微裂纹的微观损伤变量，根据叠加原理建立宏微观损伤的节理岩体力学模型；步骤S30：根据损伤力学理论，构建得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型。在其中一个实施例中，所述损伤材料的承载力系数包括弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ和内聚力c；所述步骤S10具体包括：步骤S11：基于Hoek-Brown破坏准则，岩石微元强度F可表示为式(1)：其中σ1和σ3分别为最大和最小有效主应力，σc为完整岩石的单轴抗压强度；m、s和a为材料常数；步骤S12：根据胡克定律，将σ1＝2Gε1+λ(ε1+ε2+ε3)和σ3＝2Gε3+λ(ε1+ε2+ε3)代入式(1)中，得到微元强度表达式(2)：其中ε1、ε2、ε3分别为与主应力σ1、σ2、σ3相对应的应变，ε1为轴向应变，ε2＝ε3为环向应变；步骤S13：根据对数正态分布，计算得概率密度函数为：从而得到岩石的损伤变量方程为式(3)：步骤S14：根据岩石力学曲线峰值点处几何条件(dσ1)/(dε1)＝0，同时设定峰值点处σ1＝σc，ε1＝εc，σ3＝σ3c，ε3＝ε3c，确定步骤S23中式(3)的对数正态分布参数S0和F0，F0＝lnFc-XS0和得出修正的岩石损伤本构模型表达式：其中γ为影响因子，表征损伤材料与因材料损伤而变化的微缺陷之间的关系，表达式为：在其中一个实施例中，所述步骤S20具体包括：根据节理岩体的弹性常数与损伤张量之间的关系：[E]＝(I-Ω)[E0](5)，其中[E0]和[E]分别为完整岩块和节理岩体的弹性张量，I为单位张量，Ω为节理岩体损伤张量，并且将含有一组平行节理的岩体损伤张量定义为：根据岩体结构概率统计模型，估算得节理岩体的损伤张量：λi为第i组节理面密度，单位条/m2；di为第i组节理平均直径，一般取为平面上的迹长；ni为第i组节理的单位法向矢量；由此得出，含有m组节理的岩体，其总体损伤Ω表示为：在其中一个实施例中，所述步骤S30具体包括下列步骤：步骤S31：根据损伤耦合的条件，有：ε12＝ε01+ε02-ε00(9)，其中ε12、ε01、ε02和ε00分别表示同时含有宏观和微观缺陷的岩体、仅含宏观缺陷的岩体、仅含微观缺陷的岩石和虚拟的完全不含损伤的岩石在应力作用下产生的应变；E12、E01、E02和E00分别为它们的弹性模量，则有：步骤S32：由Lemaitre假设知：经过整理后可得：其中D1为宏观损伤在应力方向上造成的损伤，D2为微观损伤在应力方向上造成的损伤，D12为宏观损伤和微观损伤在应力方向上的耦合损伤；步骤S33：采用Kawamoto的方法，引入损伤张量Ω，则：Ω＝DN，式中N是一个二阶对称张量；步骤S34：对其进行张量化处理，式(10)即变为：若假设节理的宏观缺陷引起的损伤张量为Ω、微裂纹的微观缺陷引起的损伤变量为D，那么这两种不同尺度的缺陷所引起的耦合损伤变量Ω12为：根据步骤S10中得出的修正的岩石损伤本构模型，得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型：其中{σ}为名义应力矩阵；[E0]为完整岩块的弹性张量；{ε}为应变矩阵；[γ]为基于影响因子γ得出的关于弹性张量的矩阵；{k}为基于参数k得出的关于应变的矩阵。进一步的，式中N的计算方法为：对于含单组非贯通裂隙的岩体，设定非贯通裂隙的法向与x轴夹角为β：设该组非贯通裂隙的单位法向矢量为n，则有：对于含两组以上非贯通裂隙的岩体，设定岩体中有M组非贯通裂隙，其单位法向矢量分别为n(m)(m＝1，2，…，M)，而在其中一个实施例中，所述新型岩体损伤本构模型构建方法还包括验证方法，所述验证方法包括下列步骤：计算试件内一条宏观节理的损伤张量，根据损伤张量和所述具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型，得出该试件的宏微观损伤耦合应力应变曲线；针对所述试件进行节理岩体的压缩试验，获取压缩试验曲线；将所述宏微观损伤耦合应力应变曲线与所述压缩试验曲线对比，得出验证拟合结果。本专利技术同时提供一种新型岩体损伤本构模型构建装置，包括：第一获取模块，用于基于应变等效原理，加入损伤材料的承载力系数，获取修正的岩石损伤本构模型；第二获取模块，用于分别计算节理的宏观损伤张量和微裂纹的微观损伤变量，根据叠加原理建立宏微观损伤的节理岩体力学模型；模型构建模块，用于根据损伤力学理论，构建得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型。在其中一个实施例中，新型岩体损伤本构模型构建装置还包括：验证模块，用于执行下列步骤：计算试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型岩体损伤本构模型构建方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤S10：基于应变等效原理，加入损伤材料的承载力系数，获取修正的岩石损伤本构模型；步骤S20：分别计算节理的宏观损伤张量和微裂纹的微观损伤变量，根据叠加原理建立宏微观损伤的节理岩体力学模型；步骤S30：根据损伤力学理论，构建得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型。

【技术特征摘要】
1.一种新型岩体损伤本构模型构建方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤S10：基于应变等效原理，加入损伤材料的承载力系数，获取修正的岩石损伤本构模型；步骤S20：分别计算节理的宏观损伤张量和微裂纹的微观损伤变量，根据叠加原理建立宏微观损伤的节理岩体力学模型；步骤S30：根据损伤力学理论，构建得到具有宏观缺陷和微观缺陷耦合的岩体损伤本构模型。2.根据权利要求1所述的新型岩体损伤本构模型构建方法，其特征在于，所述损伤材料的承载力系数包括弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ和内聚力c；所述步骤S10具体包括：步骤S11：基于Hoek-Brown破坏准则，岩石微元强度F可表示为式(1)：其中σ1和σ3分别为最大和最小有效主应力，σc为完整岩石的单轴抗压强度；m、s和a为材料常数；步骤S12：根据胡克定律，将σ1＝2Gε1+λ(ε1+ε2+ε3)和σ3＝2Gε3+λ(ε1+ε2+ε3)代入式(1)中，得到微元强度表达式(2)：其中ε1、ε2、ε3分别为与主应力σ1、σ2、σ3相对应的应变，ε1为轴向应变，ε2＝ε3为环向应变；步骤S13：根据对数正态分布，计算得概率密度函数为：从而得到岩石的损伤变量方程为式(3)：步骤S14：根据岩石力学曲线峰值点处几何条件(dσ1)/(dε1)＝0，同时设定峰值点处σ1＝σc，ε1＝εc，σ3＝σ3c，ε3＝ε3c，确定步骤S23中式(3)的对数正态分布参数S0和F0，F0＝lnFc-XS0和得出修正的岩石损伤本构模型表达式：其中γ为影响因子，表征损伤材料与因材料损伤而变化的微缺陷之间的关系，表达式为：3.根据权利要求1所述的新型岩体损伤本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：根据节理岩体的弹性常数与损伤张量之间的关系：[E]＝(I-Ω)[E0](5)，其中[E0]和[E]分别为完整岩块和节理岩体的弹性张量，I为单位张量，Ω为节理岩体损伤张量，并且将含有一组平行节理的岩体损伤张量定义为：根据岩体结构概率统计模型，估算得节理岩体的损伤张量：λi为第i组节理面密度，单位条/m2；di为第i组节理平均直径，一般取为平面上的迹长；ni为第i组节理的单位法向矢量；由此得出，含有m组节理的岩体，其总体损伤Ω表示为：4.根据权利要求1所述的新型岩体损伤本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤S30具体包括下列步骤：步骤S31：根据损伤耦合的条件，有：ε12＝ε01+ε02-ε00(9)，其中ε12、ε01、ε02和ε00分别表示同时含有宏观和微观缺陷的岩体、仅含宏观缺陷的岩体、仅含微观缺陷的岩石和虚拟的完全不含损伤的岩石在应力作用下产生的应变；E12、E01、E02和E00分别为它们的弹性模量，则有：步骤S32：由Lemaitre假设知...

【专利技术属性】
技术研发人员：温韬，胡明毅，王凤华，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42