一种冻融循环作用下岩石蠕变损伤本构模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种冻融循环作用后岩石蠕变损伤本构模型的构建与计算方法，包括：S1、设置冻融岩石非定常蠕变参数；S2、在冻融循环岩石蠕变模型引入冻融损伤黏性元件S3、根据冻融损伤黏性元件、冻融岩石非定常蠕变参数，构建冻融循环岩石蠕变损伤本构模型。本发明专利技术的计算过程较为复杂，有较强的综合性，应用于冻融循环作用后岩体的蠕变试验，提出的新模型较现有的模型综合性及适用性较强，对试验所得的蠕变曲线拟合程度较高。体现了岩体的蠕变变形破坏特征，充分反映了岩石在不同冻融循环次数下的减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变特征。稳定蠕变和加速蠕变特征。稳定蠕变和加速蠕变特征。

【技术实现步骤摘要】
一种冻融循环作用下岩石蠕变损伤本构模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及岩石蠕变损伤模型计算方法
，尤其涉及一种冻融循环作用下岩石蠕变损伤本构模型的构建方法。

技术介绍

[0002]随着经济建设和西部大开发的推进，我国的矿山、水力水电、能源存储等领域涉及到寒区地下工程的建设越来越多。寒区隧道、低温液化天然气\石油气(LNG\LPG)的地质储存和冻结法施工等都涉及低温或冻融的岩石力学特性。此外岩体的蠕变特性是岩体工程的重要力学特征之一，与岩体工程的长期稳定性密切相关，岩体因受长期荷载作用发生破坏是其主要破坏形式之一。尤其是随着寒区岩体工程建设的开展，在冻融循环作用下岩石损伤劣化严重，剪切蠕变特性更为显著，这将对寒区工程的长期稳定性产生不利影响。基于此，研究岩石在冻融循环条件下的力学性能和构建合理的蠕变损伤本构模型具有重要意义。
[0003]目前冻融对岩石性质的研究大多限于岩石瞬时力学特性，关于冻融循环岩石蠕变损伤本构模型的研究较少，其可以合理描述冻融循环对岩石蠕变特性的影响，能够很好的反映花岗岩在不同冻融循环次数下的减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变特征。在冻融岩石力学特性研究中，杨更社、赖远明、刘泉声等均对冻融岩石瞬时力学特性进行了分析。同时，有部分专利涉及到了冻融岩石瞬时力学特性和本构模型的研究，例如张慧梅等研究的《一种等围压作用下岩石冻融损伤本构模型的构建方法》专利技术专利，王环玲等研究的《一种确定高海拔寒区岩石冻融损伤程度的方法》专利技术专利和谭贤君等研究的《一种评价冻融循环下岩石单轴抗压强度的无损预测组合方法》专利技术专利。但对于冻融循环作用后岩石蠕变损伤本构模型的研究鲜有涉及。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种冻融循环作用下岩石蠕变损伤本构模型的构建方法，以克服以上问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]本专利技术包括：
[0007]S1、设置冻融岩石非定常蠕变参数；
[0008]S2、在冻融循环岩石蠕变模型引入冻融损伤黏性元件，包括：
[0009]S21、根据牛顿黏性定律，建立冻融损伤黏性元件的剪切应力和剪切应变间的关系：
[0010][0011]其中，τ
d
为冻融损伤黏性元件的剪切应力，为冻融损伤黏性元件的剪切应变率，η2(n,D)为冻融损伤黏性元件的黏性系数；
[0012]S22、在冻融条件下的损伤黏性元件本构关系中，加入冻融循环及应力作用时间对黏性系数的影响因子：
[0013]η2(n,D)＝η2(n)(1
‑
D)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]其中，η2(n)为冻融循环n次下的黏性系数；n为冻融循环次数，D为损伤变量，0≤D<1，e为常数；
[0015]S23、岩石蠕变过程中损伤变量和时间的关系为：
[0016]D＝1
‑
e
‑
αt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]其中，α为与冻融循环次数相关的系数；t为时间。
[0018]S24、根据S22、S23构建冻融损伤黏性元件的黏性系数为：
[0019]η2(n,D)＝η2(n)e
‑
αt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]S25、根据S21和S24构建冻融条件下损伤黏性元件的剪切应力和剪切应变的关系：
[0021][0022]其中，γ
d
为冻融岩石损伤黏性元件的剪切应变；
[0023]S3、根据冻融损伤黏性元件、冻融岩石非定常蠕变参数，构建冻融循环岩石蠕变损伤本构模型。
[0024]进一步地，S1中冻融岩石非定常蠕变参数为：
[0025]G＝G(n)
[0026]η＝η(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]其中，n为冻融循环次数；G为冻融岩石的剪切模量；η为冻融岩石的黏性系数。
[0028]进一步地，S3构建冻融循环岩石蠕变损伤本构模型，包括：
[0029]S32、计算冻融弹性元件的应力
‑
应变关系为
[0030][0031]其中，γ0为冻融弹性元件的剪切应变，G0(n)为冻融循环n次时冻融弹性元件的剪切模量，τ为总剪切应力；
[0032]S33、建立冻融黏性元件的本构关系：
[0033][0034]其中，τ
H
为冻融黏性元件的剪切应力、为冻融黏性元件的剪切应变率；η1(n)为冻融循环n次时冻融黏性元件的黏性系数；
[0035]S34、建立冻融黏弹性元件的应力
‑
应变关系：
[0036][0037]其中，γ1表示冻融黏弹性元件的剪切应变，G1(n)为冻融弹性元件的剪切模量；
[0038]S35、计算冻融损伤黏塑性体的塑性元件剪切应力：
[0039][0040]其中，τ
v
为冻融损伤黏塑性体的塑性元件剪切应力；τ
s
为冻融岩石的屈服应力；
[0041]S36、冻融损伤黏塑性体的应力
‑
应变关系为：
[0042][0043]其中，γ2表示冻融损伤黏塑性体的剪切应变；α为与冻融循环次数相关的系数；t为时间；η2(n)为冻融循环n次下的黏性系数；
[0044]S37、根据冻融弹性元件、冻融黏弹性体和冻融损伤黏塑性体的应变，建立冻融循环作用后岩石蠕变损伤本构模型：
[0045][0046]其中，γ冻融循环岩石蠕变损伤模型总应变。
[0047]关于冻融循环岩石蠕变试验国内外已经开展了相关研究，但由于冻融岩石蠕变机理比较复杂，现有的蠕变模型无法体现冻融岩石的蠕变特征，因此关于冻融岩石蠕变本构模型的研究还较少。岩体的蠕变特性是岩体工程的重要力学特征之一，与岩体工程的长期稳定性密切相关。随着寒区岩体工程建设的开展，在冻融循环作用下岩石损伤劣化严重，蠕变特性更为显著，这将对寒区工程的长期稳定性产生不利影响。基于此，研究岩石在冻融循环条件下的力学性能和构建合理的蠕变损伤本构模型具有重要意义；本专利技术也对寒区工程长期稳定性评价也具有指导意义。本专利技术考虑了冻融循环次数对岩石蠕变力学特性和本构模型的影响，本专利技术确立了冻融损伤蠕变模型的求解过程；考虑冻融循环次数对蠕变参数的影响，将岩石蠕变力学参数看成是非定常的，本专利技术实现了冻融岩石非定常蠕变参数表达；本专利技术引入损伤变量来描述岩石黏性系数的损伤劣化，并考虑冻融循环的影响，构建了冻融条件下的损伤黏性元件。本专利技术构建的冻融循环岩石蠕变损伤本构模型计算的理论值与试验值相差不大，充分反映冻融循环次数影响的趋势，能够较好反映出岩石在不同冻融循环次数下的减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变特征。
附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻融循环作用下岩石蠕变损伤本构模型的构建方法，其特征在于，包括：S1、设置冻融岩石非定常蠕变参数；S2、在冻融循环岩石蠕变模型引入冻融损伤黏性元件，包括：S21、根据牛顿黏性定律，建立冻融损伤黏性元件的剪切应力和剪切应变间的关系：其中，τ
d
为冻融损伤黏性元件的剪切应力，为冻融损伤黏性元件的剪切应变率，η2(n,D)为冻融损伤黏性元件的黏性系数；S22、在冻融条件下的损伤黏性元件本构关系中，加入冻融循环及应力作用时间对黏性系数的影响因子：η2(n,D)＝η2(n)(1
‑
D)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，η2(n)为冻融循环n次下的黏性系数；n为冻融循环次数，D为损伤变量，0≤D<1，e为常数；S23、岩石蠕变过程中损伤变量和时间的关系为：D＝1
‑
e
‑
αt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，α为与冻融循环次数相关的系数；t为时间。S24、根据S22、S23构建冻融损伤黏性元件的黏性系数为：η2(n,D)＝η2(n)e
‑
αt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)S25、根据S21和S24构建冻融条件下损伤黏性元件的剪切应力和剪切应变的关系：其中，γ
d
为冻融岩石损伤黏性元件的剪切应变；S3、根据冻融损伤黏性元件、冻融岩石非定常蠕变参数，构建冻融循环岩石蠕变损伤本构模型。2.如权利要求1所述的一种冻...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔磊，张霄汉，周立飞，姜谙男，张志成，王子利，逄明卿，侯拉平，马超，毕建成，刘林涛，马新彪，魏晓磊，唐卫平，张峰瑞，
申请(专利权)人：中铁北方投资有限公司中铁一局集团有限公司大连海事大学，
类型：发明
国别省市：