[发明专利]考虑弯矩贡献因子的二维时效破裂模型的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程岩体细观时效破裂分析技术领域，具体地指一种考虑弯矩贡献因子的二维时效破裂模型的构建方法。

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(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。刘宁等对锦屏大理岩破裂的时间效应进行了试验和数值分析(深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟，岩石力学与工程学报，2011,Vol.30No.10:1989-1996)；孙金山等应用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(锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究，岩土力学，2013,Vol.34No.12:3601-3608)。这些都是以离散元中平行粘结模型(Parallel-Bonded Model，PBM)为基础，根据驱动应力和裂纹扩展速度间的关系来描述岩石细观层面上的时效破裂。但是，这类平行粘结模型存在很多不足之处：首先，平行粘结断裂之后，颗粒之间只考虑滑动摩擦力，没有考虑断裂颗粒间的接触方式，不符合岩体破裂后的不同细观颗粒在外荷载下的运动方式；其次，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；另外，对于岩体这类摩擦粘结性材料，上述这种平行粘结模型并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，夸大了粘结力矩对岩体的破坏作用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述缺陷，提出了一种考虑弯矩贡献因子的二维时效破裂模型的构建方法，本发明适应于应力和裂纹扩展速度之间的关系符合指数型的这类岩体，对于平面状态下这类深部岩体工程的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：一种考虑弯矩贡献因子的二维时效破裂模型的构建方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1：设定岩体细观颗粒二维平行粘结接触的几何参数量包括平行粘结面积和平行粘结惯性矩，R^a、R^b为平行粘结接触两端的颗粒半径，在二维情况下，平行粘结单位厚度为1时的平行粘结面积和平行粘结惯性矩分别通过公式(2)、公式(3)来确定：

其中：为岩体细观颗粒二维平行粘结半径，为岩体细观颗粒二维平行粘结直径乘数，A为岩体细观颗粒二维平行粘结面积圆，I为岩体细观颗粒二维平行粘结惯性矩；

步骤201：利用岩体细观颗粒二维平行粒粘结时效衰减劣化的初始时间步长增量Δt，通过指数型函数计算岩体细观颗粒二维平行粘结时效衰减劣化的直径，公式(4)来确定：

其中：为考虑弯矩贡献因子的二维平行粘结法向应力，为判断岩体细观颗粒二维平行粘结开始时效劣化衰减时的应力阀值，为岩体细观颗粒二维平行粘结的拉伸强度，为考虑弯矩贡献因子的二维平行粘结应力比，β₁、β₂分别为岩体细观颗粒平行粘结时效劣化的第一控制参数、第二控制参数，为岩体细观颗粒二维平行粘结随时间劣化衰减的直径，为岩体细观颗粒二维平行粘结未衰减时的直径，e为自然常数，Δt为岩体细观颗粒二维平行粘结时效衰减劣化的时间增量；

步骤202：根据步骤201中的公式(4)，设定岩体细观颗粒平行粒粘结直径的指数型时效衰减因子β，见公式(5)：

其中：A'、I'、分别表示为岩体细观颗粒二维平行粘结随时间劣化衰减的平行粘结直径、平行粘结半径、平行粘结面积、平行粘结惯性矩、平行粘结直径乘数，A、I、为岩体细观颗粒平行粘结未衰减时的平行粘结直径、平行粘结半径、平行粘结面积、平行粘结惯性矩、平行粘结直径乘数；

步骤203：根据步骤1中的公式(1)～公式(3)以及步骤202中的公式(5)，设定岩体细观颗粒二维平行粘结几何参数时效劣化衰减模式；岩体细观颗粒二维平行粘结直径随着时间增加而不断劣化衰减，二维平行粘结单位厚度为1时的平行粘结面积和平行粘结惯性矩也随着时间增加而不断劣化衰减，分别见公式(6)、公式(7)：