[发明专利]岩体幂函数型细观时效破裂三维模型的构建方法

说明书

本发明涉及一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型的构建方法，包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型的构建过程。本发明适应于三维应力空间条件下应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于这类深部岩体工程在三维应力条件下的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

技术领域

本发明涉及工程岩体三维细观时效破裂分析技术领域，具体涉及一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型的构建方法。

背景技术

深部岩体工程开挖后的失稳与破坏往往不是在开挖后立刻发生的，一般都存在着明显的变形破裂时效性和灾变(如岩爆、大变形等)的滞后性，严重危害工程的施工安全与长期运营。目前，在细观方面的时效力学研究成果相对较少。《深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟》一文对锦屏大理岩破裂的时间效应进行了试验和二维数值分析(岩石力学与工程学报，2011，Vol.30No.10:1989-1996)；《锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究》一文应用二维蠕变细观力学模型对锦屏大理岩短期和长期强度特征进行了数值研究(岩土力学，2013，Vol.34No.12:3601-3608)。这类模型是以指数型构建的二维驱动应力和裂纹扩展速度间的关系，用来描述岩石细观层面上的二维时效破裂，适用于平面条件下应力和裂纹扩展速度之间符合指数表达方式的岩体。另外，这类模型还存在如下不足之处：(1)颗粒间的剪切破裂准则是一条与平行粘结正应力平行的水平直线，也即这种剪切破裂准则与平行粘结正应力状态无关，只要平行粘结剪切应力大于或等于固定平行粘结剪切破裂强度，颗粒间即可发生剪切破裂，无法体现岩体中不同平行粘结正应力具有不同平行粘结剪切破裂强度的客观事实；(2)没有考虑粘结力矩的差异作用对接触破坏的影响，将粘结力矩的贡献度对不同岩性的影响均视为一致；(3)对于应力和裂纹扩展速度之间不合符指数表达方式的岩体，这类模型缺乏适应性；(4)对于必须考虑三维应力条件下的深部岩体工程问题，该类二维模型因不能描述三维应力对岩体时效变形破坏的影响，也同样缺乏适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型的构建方法，本发明适应于三维应力空间条件下应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于这类深部岩体工程在三维应力条件下的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤1：设定岩体细观颗粒粘结接触的三维几何参数量包括三维粘结面积、三维粘结惯性矩和三维粘结极惯性矩；其中，R^(a),R^(b)分别为三维粘结接触两端的颗粒半径，粘结单位厚度为1时的三维粘结面积、粘结单位厚度为1时的三维粘结惯性矩和粘结单位厚度为1时的三维粘结极惯性矩分别通过公式(2)、公式(3)、公式(4)来确定：

其中：为岩体细观颗粒三维粘结半径，为三维粘结直径乘数或半径乘数，A为三维粘结面积，I为三维粘结惯性矩，J为三维粘结极惯性矩；

步骤2：利用岩体细观颗粒三维粘结时效衰减劣化的初始时间步长增量Δt，通过三维幂函数形式计算岩体细观颗粒粘结直径，公式(5)来确定；