[发明专利]一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，具体是一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法。

背景技术

岩体蠕变是指在恒定荷载持续作用下，岩体变形随时间发展的力学现象，可分为衰减蠕变、等速蠕变、加速蠕变三阶段。岩体蠕变性能是洞室围岩、边坡、地基等岩石工程长期稳定性的重要影响因素。岩体蠕变本构模型反映岩体蠕变的力学本质，是岩石工程长期稳定性分析的基础，是大型岩石工程必不可缺的研究内容。工程荷载下，岩体一般处于衰减蠕变阶段，又由于软岩蠕变较硬岩显著，因此，研究软岩衰减蠕变具有重要的工程意义。

软岩在较低荷载作用下呈衰减蠕变，但卸荷后有较大残余变形。一般认为衰减蠕变是粘弹性的，多采用广义Kelvin模型描述，但该模型在卸荷后，蠕变全部回复，无残余变形；另一方面，采用带塑性元件的非线性模型可描述卸荷残余变形，但其加载时产生塑性流动，并非衰减蠕变。工程岩体的应力状态复杂，工程区不同部位可能分别处于加、卸载应力状态，或者在不同阶段分别处于加、卸载状态。因此，采用上述模型进行工程软岩的长期变形分析将产生不可忽略的误差。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法，该模型可以描述加载呈衰减蠕变、卸载存在残余变形的软岩加卸载全过程蠕变，为工程软岩长期稳定分析提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法，包括如下步骤：

1)建立蠕变本构模型：将一个单向弹簧元件与一个虎克体弹簧、一个Kelvin体按任意次序串联，组成变异广义Kelvin蠕变本构模型，其中，Kelvin体由一个弹簧与一个粘壶并联组成，所述单向弹簧元件的本构关系为：

所建立蠕变本构模型的本构关系为：

式中：σ为应力，ε为应变，E_I为单向弹簧元件在加载条件下的弹性模量，E_H为虎克体弹簧的弹性模量，E₁为Kelvin体中弹簧的弹性模量，η₁为Kelvin体中粘壶的粘滞系数，t为时间；

2)建立蠕变方程：根据粘弹性与弹性相应性原理，基于所建立的变异广义Kelvin蠕变本构模型的本构关系，建立圆形刚性承压板载荷条件下承压板下岩体表面的蠕变方程，所建立的蠕变方程为：

式中：w为承压板下岩体表面变形，P为承压板表面的压力，D为承压板直径，K为体积变形模量，G为剪切模量，

A＝E₀E₁+6KE₀+6KE₁

3)确定模型参数：进行加卸载圆形刚性承压板法现场岩体载荷蠕变试验，获取蠕变数据，绘制蠕变曲线，采用解析法和曲线拟合法确定所建立的软岩蠕变本构模型的参数。

如上所述的适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法，步骤3)具体为

(1)建立圆形刚性承压板载荷条件下模型参数E_H、E_I的解析式：

式中：w_e为瞬时加载变形，w_er为瞬时回弹变形，ν为岩体泊松比；

(2)获取试验数据：进行加卸载圆形刚性承压板法现场岩体载荷蠕变试验，获取瞬时加载变形w_e、瞬时回弹变形w_er及全过程蠕变数据，绘制蠕变试验曲线；

(3)根据(1)所得E_H、E_I的解析式求解E_H、E_I的值；

(4)按照步骤2)建立的蠕变方程拟合蠕变试验曲线，对E₁、η₁优化取值。

本发明的有益效果在于：根据本方法建立的软岩蠕变本构模型可以描述加载呈衰减蠕变、卸载存在残余变形的软岩加卸载全过程蠕变，对于工程区不同部位分别处于加、卸载应力状态，或者在不同阶段分别处于加、卸载应力状态的工程软岩，基于该模型的长期变形分析更加准确。

附图说明

图1是本发明建立的蠕变本构模型的示意图；

图2是加卸载圆形刚性承压板法现场岩体载荷蠕变试验安装示意图