一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法技术

本发明专利技术公开了一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法，利用岩石试验系统对试样进行不同埋深条件下三种不同深部开挖扰动应力路径的加载，获取加载过程中岩石试验系统所施加的轴向应力与环向应力，及试样轴向应变和环向应变。同时计算出试样在扰动应力路径下的平均整旋角的演化规律，建立基于平均整旋角的Hoek

【技术实现步骤摘要】
一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学与工程
，具体涉及一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法。

技术介绍

[0002]深部地下工程的施工与设计，首先需要解决的工程技术难题就是开挖扰动下岩体的稳定控制。然而岩体的失稳破坏与致灾过程，实际上是开挖扰动下，即扰动应力路径下，岩体变形加剧的过程。同时，针对不同埋深的岩石，不同开挖方式下导致其力学行为差异较大。因此，结合深部原位环境，构建深部开挖扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型，对于深入研究深部开挖扰动下岩体的力学性质具有重要意义。
[0003]现有的研究已充分证明了埋深与开挖扰动决定着围岩的破坏形态，同时根据现场观测，一些学者提出了较大扰动、中等扰动与较小扰动下深部围岩所经历的应力路径概化模型。但是在深部原位环境下，以不同开挖方式进行开采，即对岩体施加不同扰动应力路径，岩石的力学行为与不同程度的扰动模式之间是否存在相关性，尚不清楚。根据深部地下工程施工与设计的需要，如果能够揭示深部原位环境下，岩石在不同开挖扰动下的力学行为，不仅可以在实际深部地下工程中，在施工之前即能对按照预先设定的扰动应力路径进行开挖扰动下岩体的变形破坏特征的预测，同时也可以为后期深部开挖扰动下岩体的大变形
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非连续变形行为与规律的分析提供理论支撑。因此，如何提供一种方法能对不同埋深下岩石变形破坏特征与不同扰动应力路径之间的关系进行分析，进而获得岩石在不同埋深下与不同扰动应力路径下的力学行为(即偏应力与应变关系)，从而建立模型对不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行精准预测，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法，能对不同埋深下岩石变形破坏特征与不同扰动应力路径之间的关系进行分析，进而获得岩石在不同埋深下与不同扰动应力路径下的力学行为，从而建立模型对不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行精准预测。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法，具体步骤为：
[0006]S1、采用同一性质的红砂岩石制作多个形状相同的试样，通过波速测试确认各个试样内部无明显损伤，且完整性良好；并通过常规单轴压缩试验测量试样的弹性模量E以及泊松比υ；
[0007]S2、从步骤S1中选择一个试样固定到岩石试验系统内；
[0008]S3、设定一个埋深，然后将步骤S2中的试样通过岩石试验系统加载依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和较大扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴
向应变ε1、环向应变ε3；然后再从步骤S1中选择一个试样，并重复步骤S2，接着在同一埋深条件下，将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和中等扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；最后再从步骤S1中选择一个试样，并重复步骤S2，接着在同一埋深条件下，将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和较小扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；最终获得在当前模拟埋深下三种不同扰动应力路径加载过程中各个试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；
[0009]S4、设红砂岩试样加载过程中的平均整旋角为Θ，根据有限变形理论，能得出平均整旋角Θ的公式，从而根据该公式能得出三种不同扰动应力路径下试样的平均整旋角Θ；
[0010]S5、设M为描述岩石变形破裂程度的参数，然后根据步骤S4确定的平均整旋角Θ代入公式，最终得出三种不同扰动应力路径下试样的M；
[0011]S6、建立初始Hoek
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Brown屈服准则公式，将步骤S5中的M代入该公式，从而获得改进后的Hoek
‑
Brown屈服准则公式，并分别确定三种不同扰动应力路径下公式中的扰动参数 D的值；
[0012]S7、建立岩石在扰动应力路径下的硬化函数H，硬化函数H是以平均整旋角Θ为自变量的函数；接着结合硬化函数H并根据岩石材料弹塑性理论的关联流动法则，确定岩石的硬化参数A的公式；从而获得三种不同扰动应力路径下各自岩石的硬化参数A；
[0013]S8、结合步骤S6中改进后的Hoek
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Brown屈服准则公式和步骤S7中的岩石的硬化参数A，并根据岩石材料的本构理论，能得到岩石应力增量与应变增量的关系，即三种不同扰动应力路径下岩石的弹塑性力学本构模型公式，从而根据本构模型公式能对当前埋深三种不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行预测；
[0014]S9、再选择一个埋深，并重复步骤S3至S8，能对该埋深三种不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行预测，如此重复，从而能对不同埋深情况下三种不同扰动应力路径的岩体变形破坏特征进行预测。
[0015]进一步，所述步骤S3中三种扰动应力路径各个加载阶段的具体加载参数为：
[0016][0017]进一步，所述步骤S4的具体过程为：
[0018]根据有限变形理论，能得出平均整旋角Θ的公式为：
[0019][0020]其中λ与μ为拉梅参数，能用E与υ表示：
[0021][0022][0023]根据该公式能得出三种不同扰动应力路径下试样的平均整旋角Θ。
[0024]进一步，所述步骤S5的具体过程为：
[0025]设0表示岩石完全破裂，1表示岩石结构完整，在岩石峰前阶段，岩石变形破裂程度的参数M为：
[0026][0027]其中，Θ
max
为岩石在达到残余强度时的平均整旋角的值，Θ
c
为岩石达到峰值应力时的平均整旋角的值，其通过下式计算：
[0028][0029]其中，σ
c
与ε
c
分别为岩石的峰值应力值与其对应的轴向应变值；从而得出三种不同扰动应力路径下试样的M。
[0030]进一步，所述步骤S6的具体过程为：
[0031]建立初始Hoek
‑
Brown屈服准则公式：
[0032][0033][0034][0035][0036]其中，m
b
与s分别为表述岩石硬度与完整度的参数，而a与岩性相关，GSI∈[80,100]，扰动参数D在较小扰动下取0，在中等扰动下取0.5，在较大扰动下取1：
[0037]将步骤S5中的M引入初始Hoek
‑
Brown屈服准则公式，则
[0038][0039]基于式(10)，改进后的Hoek
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法，其特征在于，具体步骤为：S1、采用同一性质的红砂岩石制作多个形状相同的试样，通过波速测试确认各个试样内部无明显损伤，且完整性良好；并通过常规单轴压缩试验测量试样的弹性模量E以及泊松比υ；S2、从步骤S1中选择一个试样固定到岩石试验系统内；S3、设定一个埋深，然后将步骤S2中的试样通过岩石试验系统加载依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和较大扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；然后再从步骤S1中选择一个试样，并重复步骤S2，接着在同一埋深条件下，将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和中等扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；最后再从步骤S1中选择一个试样，并重复步骤S2，接着在同一埋深条件下，将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、第一加卸载阶段和较小扰动施工，完成一个扰动应力路径，直至将红砂岩试样加载至破碎；并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；最终获得在当前模拟埋深下三种不同扰动应力路径加载过程中各个试样的轴向应力σ1，环向应力σ3，以及轴向应变ε1、环向应变ε3；S4、设红砂岩试样加载过程中的平均整旋角为Θ，根据有限变形理论，能得出平均整旋角Θ的公式，从而根据该公式能得出三种不同扰动应力路径下试样的平均整旋角Θ；S5、设M为描述岩石变形破裂程度的参数，然后根据步骤S4确定的平均整旋角Θ代入公式，最终得出三种不同扰动应力路径下试样的M；S6、建立初始Hoek
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Brown屈服准则公式，将步骤S5中的M代入该公式，从而获得改进后的Hoek
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Brown屈服准则公式，并分别确定三种不同扰动应力路径下公式中的扰动参数D的值；S7、建立岩石在扰动应力路径下的硬化函数H，硬化函数H是以平均整旋角Θ为自变量的函数；接着结合硬化函数H并根据岩石材料弹塑性理论的关联流动法则，确定岩石的硬化参数A的公式；从而获得三种不同扰动应力路径下各自岩石的硬化参数A；S8、结合步骤S6中改进后的Hoek
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Brown屈服准则公式和步骤S7中的岩石的硬化参数A，并根据岩石材料的本构理论，能得到岩石应力增量与应变增量的关系，即三种不同扰动应力路径下岩石的弹塑性力学本构模型公式，从而根据本构模型公式能对当前埋深三种不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行预测；S9、再选择一个埋深，并重复步骤S3至S8，能对该埋深三种不同扰动应力路径下的岩体变形破坏特征进行预测，如此重复，从而能对不同埋深情况下三种不同扰动应力路径的岩体变形破坏特征进行预测。2.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法，其特征在于，所述步骤S3中三种扰动应力路径各个加载阶段的具体加载参数为：
3.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亚楠，兰东昊，丁峰，王云龙，高峰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：