一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，包括以下步骤：S1、确定岩石进入蠕变和加速蠕变的起点；S2、构建一个由弹性元件ε

【技术实现步骤摘要】
一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学性能与工程研究领域，具体涉及一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法。

技术介绍

[0002]蠕变是岩石重要力学特性，直接影响岩石工程的长期稳定性。岩石蠕变本构模型是岩石蠕变研究的重点，是岩石工程的长期稳定性分析的理论基础。目前，大部分学者主要基于单轴压缩或常规三轴下岩石蠕变特性的认识建立蠕变模型，该单轴和常规三轴应力状态适合地层表层、浅部工程；而深部岩体处于真三维高应力状态，特别近年来，深部地下工程大量兴建，高应力状态下围岩蠕变破坏和灾害频繁发生，其中关键因素是缺乏真三维高应力状态下岩石蠕变模型对围岩稳定性进行分析预测。
[0003]目前岩石蠕变本构模型大多采用Mohr
‑
Coulomb准则、Drucker
‑
Peager准则Hoek
‑
Brown准则等二维强度准则和蠕变元件组合，一是不能考虑深部高应力状态下岩石蠕变特性的中间主应力效应，二是蠕变元件组合模型参数多且物理意义不够明确，基于参数少、物理意义较为明确的新元件和三维强度准则的岩石三维蠕变模型研究匮乏。
[0004]大量研究表明岩石应力状达到一定阈值时才会进入蠕变阶段，岩石发生蠕变变形破坏时其完整蠕变曲线可分为衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段，蠕变从等速蠕变阶段进入加速蠕变阶段也需要一定条件，当不满足该条件时，岩石蠕变趋于稳定，不会发生蠕变破坏，反之，满足该条件时，岩石蠕变由等速蠕变阶段进入加速蠕变阶段，岩石发生蠕变破坏。判断何时进入蠕变状态以及何时进入加速蠕变阶段是岩石蠕变模型研究的关键。目前在单轴压缩和常规三轴条件下对岩石蠕变模型中的加速蠕变启动条件研究有少量成果且进入蠕变阶段的启动阈值尚不清楚，如何表征真三轴下岩石蠕变启动和蠕变加速并进而建立三维蠕变模型成为目前蠕变模型研究的空白，未见相关研究报道。
[0005]针对上述不足，本专利技术提出一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，为高应力深部工程围岩蠕变破坏灾害预测和长期稳定性分析提供理论依据。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，对真三轴应力水平下岩石蠕变特性进行预测，为高应力深部工程围岩蠕变破坏灾害预测和长期稳定性分析提供理论依据。
[0007]为了达到以上技术目的，本专利技术提供一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，其包括：
[0008]S1、确定岩石进入蠕变和加速蠕变的起点；
[0009]S2、基于步骤S1中的岩石内部裂纹稳定扩展起点和岩石内部裂纹非稳定扩展的起点，构建一个由弹性元件ε
e
、分数阶黏弹塑元件ε
ve
和损伤分数阶黏塑性元件ε
vp
串联的表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型ε(t)；
[0010]S3、采用Mogi
‑
Coulomb三维强度准则，建立三维蠕变屈服函数F；
[0011]S4、基于步骤S2中的蠕变模型，构建一维分数阶蠕变本构方程ε1(t)；
[0012]S5、采用广义胡克定律、Perzyna超应力理论，基于步骤S3和步骤S4，构建三维分数阶蠕变本构方程ε
ij
(t)；
[0013]S6、对岩石试样开展真三轴压缩蠕变试验，验证步骤S5中三维分数阶蠕变方程。
[0014]所述步骤S1中，以岩石内部裂纹稳定扩展起点作为进入蠕变状态的条件；以岩石内部裂纹非稳定扩展的起点作为进入加速蠕变阶段的起点；
[0015]所述步骤S2中，分数阶黏弹塑性元件ε
ve
是由分数阶元件与塑性元件并联，损伤分数阶黏塑性元件ε
vp
是由损伤分数阶元件与塑性元件并联；
[0016]所述步骤S3中采用Mogi
‑
Coulomb准则，建立三维蠕变屈服函数F，其方法为：
[0017]A1、基于Mogi
‑
Coulomb准则建立的有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系为：
[0018] τ
oct
＝a+bσ
m，2 (1)
[0019][0020][0021]其中，a、b为通过拟合试验数据求得的材料参数，σ1、σ2、σ3分别为最大主应力、中间主应力、最小主应力；
[0022]基于有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系建立的三维蠕变屈服函数F方程为：
[0023][0024]A2、对岩石试样进行真三轴压缩试验，获得真三轴应力下岩石内部裂纹稳定扩展起点的应力σ
ci
和岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力σ
cd
；
[0025]A3、基于步骤A2获得的真三轴应力下岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力σ
ci
，代入有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系(1)式、(2)式、(3)式，获得相应的材料参数a、b，同时确定进入蠕变状态的屈服函数F1；
[0026]A4、基于步骤A2获得的真三轴应力水平的岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力σ
cd
，代入有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系(1)式、(2)式、(3)式，获得相应的材料参数a、b，同时确定进入加速蠕变的屈服函数F2；
[0027]所述步骤S4中构建表征岩石蠕变启动和加速一维分数阶本构模型ε1的方法为：
[0028]B1、所述步骤S2中损伤分数阶黏塑性元件采用与应力相关的分数阶黏性体损伤变量描述岩石加速蠕变阶段蠕变损伤函数D(σ,t)：
[0029][0030]其中，σ为岩石所受应力，σ
∞
为长期强度，b为材料参数。
[0031]B2、确定黏滞系数η(σ,t)的演化方程表达式：
[0032][0033]B3、将步骤B2中的(6)式代入损伤分数阶元件本构方程：
[0034][0035]B4、将步骤B3中的(7)式左右进行积分，并采用Laplace变换与逆变换的方式确定损伤分数阶黏塑性体蠕变本构方程：
[0036][0037]B5、一维弹性体蠕变本构方程表达式为：
[0038][0039]其中E1是弹性模量，σ是岩石试块所受应力；
[0040]B6、一维分数阶黏弹塑性体蠕变本构方程表达式为：
[0041][0042]其中σ
ci
是岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力；
[0043]B7、一维损伤分数阶黏塑性体蠕变本构方程表达式为：
[0044][0045]其中σ
cd
是岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，包括以下步骤：S1、确定岩石进入蠕变和加速蠕变的起点；S2、基于步骤S1中的岩石内部裂纹稳定扩展起点和岩石内部裂纹非稳定扩展的起点，构建一个由弹性元件ε
e
、分数阶黏弹塑元件ε
ve
和损伤分数阶黏塑性元件ε
vp
串联的表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型ε(t)；S3、采用Mogi
‑
Coulomb三维强度准则，建立三维蠕变屈服函数F；S4、基于步骤S2中的蠕变模型，构建一维分数阶蠕变本构方程ε1(t)；S5、采用广义胡克定律、Perzyna超应力理论，基于步骤S3和步骤S4，构建三维分数阶蠕变本构方程ε
ij
(t)；S6、对岩石试样开展真三轴压缩蠕变试验，验证步骤S5中三维分数阶蠕变方程。2.根据权利要求1所述的一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，以岩石内部裂纹稳定扩展起点作为进入蠕变的条件；以岩石内部裂纹稳定扩展起点作为进入加速蠕变阶段的起点。3.根据权利要求1所述的一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，其特征在于，所述步骤S2中，分数阶黏弹塑性元件ε
ve
是由分数阶元件与塑性元件并联，损伤分数阶黏塑性元件ε
vp
是由损伤分数阶元件与塑性元件并联。4.根据权利要求1所述的一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用Mogi
‑
Coulomb准则，建立屈服函数F，其方法为：A1、使用Mogi
‑
Coulomb准则建立的有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系为：τ
oct
＝a+bσ
m，2m，2
其中，a、b为通过拟合试验数据求得的材料参数，σ1、σ2、σ3分别为最大主应力、中间主应力、最小主应力；三维蠕变屈服函数F方程为：A2、对岩石试样进行真三轴压缩试验，获得真三轴应力下岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力σ
ci
和岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力σ
cd
；A3、基于步骤A2获得的真三轴应力下岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力，代入有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系，获得相应的材料参数a、b，同时确定进入蠕变状态的屈服函数F1；A4、基于步骤A2获得的真三轴应力下岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力，代入有效正应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系，获得相应的材料参数a、b，同时确定进入加速蠕变的屈服函数F
2。
5.根据权利要求1所述的一种表征真三轴下岩石蠕变启动和加速的模型构建方法，其特征在于，所述步骤S4中，构建表征岩石蠕变启动和加速一维分数阶本构模型ε1的方法为：
B1、损伤分数阶黏塑性元件采用与应力相关的分数阶黏性体损伤变量描述岩石加速蠕变阶段蠕变损伤函数D(σ,t)：其中，σ为岩石所受应力，σ
∞
为长期强度，b为材料参数。B2、确定黏滞系数η(σ,t)的演化方程表达式：B3、将步骤B2中黏滞系数η(σ,t)代入损伤分数阶元件本构方程：B4、将步骤B3中损伤分数阶元件本构方程左右进行积...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，李雪琪，蔡智杨，胡大伟，赵骏，张稳军，徐鼎平，王者超，刘宁，高要辉，罗浩，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：