【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩体力学与工程，具体涉及到一种不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法。
技术介绍
1、我国西部地质构造活动频繁地带广泛分布有炭质板岩等软岩，其构造应力和埋深大，岩体扭曲和柔皱等构造明显，具有显著的流变特性，导致隧道大变形灾害频发。炭质板岩为层状节理岩体，内部存在层理、片理、裂隙等软弱结构面，结构面附近颗粒间的粘结力很小，强度很低，其层状构造使得岩体呈现出非均质的非线性形态，在力学特性上层状岩体往往与一般岩体相异，表现出明显的各向异性特征。炭质板岩隧道开挖会导致不同层理倾角的隧道围岩发生不同的变形和破坏形式。
2、为了构建不同层理倾角炭质板岩的非线性损伤蠕变模型，学术界进行了广泛地探索研究。“付腾飞等，基于西原模型的非线性损伤蠕变模型，煤矿开采，2016”论文中提到传统的nishihara模型能全面反映岩石弹-黏弹-黏塑性变形特征，但由于传统nishihara模型所含原件少，不能反映岩石的的加速蠕变阶段；“齐亚静等，改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识，岩石力学与工程学报，2012”中提到传统的西原模型使用的原件为黏弹、黏塑性原件，但由于缺少层状损伤原件、非线性原件，难以描述岩石屈服破坏后进入加速阶段的蠕变变形，因此无法实现不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有描述岩体蠕变过程的粘弹塑性模型无法考虑层理结构在炭质岩板蠕变过程中的影响，以及解决nishihara模型无法描述加速蠕变的问题；
2、本专利技术的思路是将基于kachanov损伤理论构建两个可分别描述层理损伤和内部损伤的元件，并将两个元件串联到nishihara模型中建立可反映炭质板岩加速蠕变阶段的非线性损伤蠕变本构模型，对各元件模型参数的力学意义进行研究，分析模型参数与围压和层理倾角的关系。实施时综合考虑层理损伤和内部损伤建立了可描述不同层理倾角炭质板岩加速蠕变的改进nishihara蠕变模型，并推导了改进nishihara蠕变模型的一维、三维本构方程，以期为层状结构软弱岩体工程设计、施工提供可靠的理论依据。
3、本专利技术的技术方案如下：
4、一种可描述不同层理倾角炭质板岩加速蠕变的改进nishihara蠕变模型，包括如下步骤：
5、【1】建立传统的nishihara模型；
6、【2】为考虑层理结构在炭质岩板蠕变过程中的影响，引入一个弹塑性层状损伤元件；
7、【3】为解决nishihara模型无法描述加速蠕变的问题，引入一个非线性粘性损伤元件；
8、【4】将上述两元件引入到nishihara中，建立考虑层理损伤的改进nishihara非线性蠕变损伤本构模型。
9、【5】根据弹塑性理论，将改进nishihara模型一维蠕变本构方程扩展到三维，建立改进nishihara模型的三维蠕变本构方程。
10、进一步地，步骤【2】中弹塑性层状损伤原件的蠕变本构方程为：
11、
12、其中，σ表示应力，e表示弹性模量，tc表示蠕变破坏时刻，ts表示层状损伤元件中损伤区域开启的时间阈值，c为与层理倾角θ相关的损伤参数。
13、进一步地，步骤【3】中非线性粘性损伤元件的蠕变本构方程为：
14、
15、其中：σ表示应力，η表示粘滞系数，tn为加速蠕变起始时刻，t为蠕变时间，d为损伤参数。
16、进一步地，步骤【4】中，将上述两元件引入到nishihara中，建立考虑层理损伤的改进nishihara非线性蠕变损伤本构模型。
17、当蠕变时间t≤ts且t≤tn时，改进nishihara模型中的损伤变量均未发生作用，此时改进nishihara模型退化为传统nishihara模型。其蠕变本构方程如下：
18、
19、当蠕变时间t>ts且t＞tn时，模型中的损伤变量开始发挥作用，此时模型中各元件的状态方程为：
20、
21、综上，根据boltzmann叠加原理，建立改进nishihara非线性损伤蠕变模型的本构方程，可以如下形式表示：
22、
23、进一步地，步骤【5】中，将一维蠕变本构方程扩展到三维，并且满足如下的假定：①材料的体应变为弹性变形，且与时间因素无关，即在加载瞬间完成；②球应力张量不会引起岩石蠕变，只有偏应力张量才能产生蠕变变形；③在蠕变过程中，泊松比ν不随时间推移而变化。
24、根据弹塑性理论，将改进nishihara模型一维蠕变本构方程扩展到三维，建立改进nishihara模型的三维蠕变本构方程。
25、将应力张量σij分解为球应力张量σm和偏应力张量sij，相应的将应变张量分解为球应变张量εm和偏应变张量eij。其平衡关系为：
26、σij＝sij+δijσm
27、εij＝eij+δijεm
28、其中：δij为kronecker函数。
29、
30、根据弹性力学理论，三维状态下弹性体的应力应变关系可表示为：
31、σm＝3kεm
32、sij＝2geij
33、其中k和g分别表示弹性体的体积模量和剪切模量。
34、
35、
36、综上，弹性体的三维本构关系可表示为：
37、
38、由于球应力张量不会引起蠕变变形，则粘弹性体的三维本构关系可表示为：
39、
40、对于粘塑性体，其应变的开启于应力阈值有关。应力阈值函数fs与屈服函数f的确定方法由蠕变试验确定。则粘塑性体应变可表示为：
41、
42、其中：ф函数可取为幂函数的形式，f0为岩石屈服函数的初始参考值，采用相关流动法则，有fs＝gs，则粘塑性体三维本构关系可表示为：
43、
44、其中：m为试验常数，通常取1。
45、为越阶函数，则上式可展开为：
46、
47、非线性粘性体的三维本构关系可表示为：
48、
49、与改进nishihara模型的一维本构方程进行类比，采用boltzmann叠加原理将上述元件的三维本构关系进行叠加，得到改进nishihara模型本构方程的三维形式。
50、
51、常规三轴压缩试验中有σ2＝σ3，则上式中一些参数可换为如下形式：
52、
53、
54、对于屈服函数则有：
55、
56、
57、其中：j2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【2】中弹塑性层状损伤原件的蠕变本构方程为：
3.根据权利要求1所述不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【3】中非线性粘性损伤元件的蠕变本构方程为：
4.根据权利要求1所述的不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【4】中，改进Nishihara非线性蠕变损伤本构模型的本构方程为
5.根据权利要求1所述的不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【5】中，改进Nishihara模型三维蠕变本构方程为
【技术特征摘要】
1.一种不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【2】中弹塑性层状损伤原件的蠕变本构方程为：
3.根据权利要求1所述不同层理倾角炭质板岩非线性损伤蠕变模型的构建方法，其特征在于：步骤【3】中非线性粘性损...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡涛涛，李浩，李林，王栋，赵玉龙，张哲昊，贺韶君，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：
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