一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型及其构建方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型及其构建方法，属于岩石变形分析技术领域。方法为：根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力

【技术实现步骤摘要】
一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型及其构建方法


[0001]本专利技术涉及岩石变形分析
，尤其涉及一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型及其构建方法。

技术介绍

[0002]岩石在漫长复杂的成岩过程中及外界各种复合扰动作用下，其内部或多或少会产生孔隙、裂隙、节理弱面、断层等原生缺陷，致使岩石具有初始损伤。相较于理想完整无损状态的岩块，这些初始缺陷或弱结构面在岩石基体内部交错随机分布，不仅改变了其宏观变形力学参数（弹性模量、抗压强度等），更对其损伤演变过程产生显著影响。从损伤演变过程角度看，岩石受荷变形初期存在一段原生微裂纹或孔隙压缩闭合即初始损伤恢复的过程，并在弹性变形阶段达到损伤程度最小或近似无损伤状态；从应力
‑
应变曲线上看，有损岩石在单轴加载条件下应力
‑
应变曲线初期表现出明显的非线性上凹特征。研究表明：侧向压力的存在会弱化岩石压密阶段非线性特征，当围压增大到一定程度时，岩石内部原生缺陷或裂隙被压缩闭合，初始损伤程度逐渐减弱恢复至接近理想完整无损状态，此时岩石损伤演变过程和应力
‑
应变关系相较于含初始损伤条件下表现出巨大差异。
[0003]目前，常见的岩石损伤演化模型多是借助含初始缺陷或损伤（例如高温热处理、节理倾角、岩溶裂隙、水化学腐蚀、冻融循环等）岩石弹性模量相较于完整岩石初始弹性模量的劣化程度来表征初始损伤值，该方法虽体现了岩石初始状态下不同损伤程度，但在岩石损伤阈值即屈服强度之前，损伤程度依旧保持为初始损伤水平。而根据裂纹体积应变演化规律，岩石损伤程度在弹性阶段之前是逐渐减小的，即初始裂纹压缩闭合可看作一种由初始损伤程度恢复至无损或近似无损状态的动态过程，并非无损伤保持的过程。因此，现有的岩石损伤演化模型无法有效的从细观角度理解岩石损伤破坏过程。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了如下技术方案。
[0005]本专利技术第一方面提供了一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型的构建方法，包括：根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线，进而得到裂纹应变
‑
应力曲线；根据裂纹应变
‑
应力曲线建立岩石在裂纹压密阶段的损伤演化模型：
ꢀꢀ
(1)；式（1）中，为岩石在裂纹压密阶段的损伤变量；为初始损伤系数；为应力；为岩石在裂纹压密阶段的等效弹性模量；为裂纹闭合应变；为岩石应力
‑
应变曲线的峰值应变；
根据岩石应力
‑
应变曲线计算得到岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量，进而得到损伤变量
‑
应变曲线；根据损伤变量
‑
应变曲线建立岩石在裂纹压密阶段之后的损伤演化模型：
ꢀꢀ
(2)；式（2）中，和均为拟合参数，为应变；根据岩石在裂纹压密阶段的损伤变量以及岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量建立考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤演化模型：
ꢀꢀꢀ
(3)；式（3）中，为考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤变量。
[0006]优选地，所述根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线，进而得到裂纹应变
‑
应力曲线包括：根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线；利用岩石应力
‑
应变曲线，根据如下公式计算得到某一应力状态下对应的基体应变和裂纹应变：
ꢀꢀ
(4)；
ꢀꢀ
(5)；
ꢀꢀꢀ
(6)；其中，为基体应变；为裂纹应变；为岩石的弹性模量，根据岩石应力
‑
应变曲线的弹性变形阶段的斜率获得。
[0007]根据应力及其对应的基体应变和裂纹应变分别得到基体应变
‑
应力曲线和裂纹应变
‑
应力曲线。
[0008]优选地，所述根据裂纹应变
‑
应力曲线建立岩石在裂纹压密阶段的损伤演化模型包括：模拟岩石在压密阶段和弹性变形阶段的裂纹应变：
ꢀꢀ
(7)；表征岩石在裂纹压密阶段的损伤变量：
ꢀꢀꢀ
(8)；结合式(7)和式(8)得：
ꢀꢀ
(9)；对式（9）进行修正，得到式（10）：
ꢀꢀ
(10)。
[0009]优选地，所述对式（9）进行修正包括：
ꢀꢀ
(11)；
ꢀꢀꢀ
(12)；利用式（12）对式（11）进行修正得到：
ꢀꢀꢀ
(10)。
[0010]优选地，所述根据岩石应力
‑
应变曲线计算得到岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量，进而得到损伤变量
‑
应变曲线包括：表征岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量：
ꢀꢀꢀ
(13)；式(13)中，为岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量；为岩石弹性模量，根据岩石应力
‑
应变曲线弹性变形阶段的斜率确定；为岩石变形模量，即岩石应力
‑
应变曲线上任意一点与坐标原点之间连线的斜率；根据式(13)计算得到在裂纹压密阶段后岩石应力
‑
应变曲线上任意一点对应的损伤变量；根据损伤变量及其对应的应变得到损伤变量
‑
应变曲线。
[0011]优选地，所述根据岩石在裂纹压密阶段的损伤变量以及岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量建立考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤演化模型包括：根据岩石应变等效假说理论，得到：
ꢀꢀ
(14)；若只考虑岩石在裂纹压密阶段的损伤，则有：
ꢀꢀ
(15)；考虑岩石在裂纹压密阶段的损伤的基础上叠加新生裂纹起裂诱发的损伤，则有：
ꢀꢀ
(16)；结合式(14)和式(16)，得到考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤演化模型：
ꢀꢀ
(3)；其中，为有损岩石的弹性模量；为无损岩石的弹性模量；为只考虑裂纹压密阶段损伤的岩石的弹性模量。
[0012]优选地，通过对裂纹应变
‑
应力曲线进行拟合获得。
[0013]优选地，根据岩石应力
‑
应变曲线弹性阶段的反向延长线与应变坐标轴的交点获得。
[0014]优选地，和均根据损伤变量
‑
应变曲线拟合获得。
[0015]本专利技术另一方面提供了一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型，采用第一方面所述的考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型的构建方法得到。
[0016]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型及其构建方法，首先根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线，进而得到裂纹应变
‑
应力曲线以及岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量，进而得到损伤变量
‑
应变曲线；然后根据裂纹应变
‑
应力曲线建立岩石在裂纹压密本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型的构建方法，其特征在于，包括：根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线，进而得到裂纹应变
‑
应力曲线；根据裂纹应变
‑
应力曲线建立岩石在裂纹压密阶段的损伤演化模型：
ꢀꢀ
(1)；式（1）中，为岩石在裂纹压密阶段的损伤变量；为初始损伤系数；为应力；为岩石在裂纹压密阶段的等效弹性模量；为裂纹闭合应变；为岩石应力
‑
应变曲线的峰值应变；根据岩石应力
‑
应变曲线计算得到岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量，进而得到损伤变量
‑
应变曲线；根据损伤变量
‑
应变曲线建立岩石在裂纹压密阶段后的损伤演化模型：
ꢀꢀ
(2)；式（2）中，和均为拟合参数，为应变；根据岩石在裂纹压密阶段的损伤变量以及岩石在裂纹压密阶段之后的损伤变量建立考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤演化模型：
ꢀꢀ
(3)；式（3）中，为考虑岩石初始损伤恢复的耦合损伤变量。2.如权利要求1所述的考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型的构建方法，其特征在于，所述根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线，进而得到裂纹应变
‑
应力曲线包括：根据岩石单轴压缩试验数据得到岩石应力
‑
应变曲线；利用岩石应力
‑
应变曲线，根据如下公式计算得到某一应力状态下对应的基体应变和裂纹应变：
ꢀꢀ
(4)；
ꢀꢀ
(5)；
ꢀꢀ
(6)；其中，为基体应变；为裂纹应变；为岩石的弹性模量，根据岩石应力
‑
应变曲线的弹性变形阶段的斜率获得；根据应力及其对应的基体应变和裂纹应变分别得到基体应变
‑
应力曲线和裂纹应变
‑
应力曲线。3.如权利要求1所述的考虑初始损伤恢复的岩石损伤演化模型的构建方法，其特征在
于，所述根据裂纹应变
‑
应力曲线建立岩石在裂纹压密阶段的损伤演化模型包括：模拟岩石在压密阶段和弹性变形阶段的裂纹应变：
ꢀꢀ
(7)；表征岩石在裂纹压密阶段的损伤变量：
ꢀꢀ
(8)；结合式(7)和式(8)得：
ꢀꢀ
(9)；对式（9）进行修正，得到式（10）：
ꢀꢀꢀ
(10)。4.如权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭允朋，刘冬桥，邢思奇，刘书勇，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：