[发明专利]考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法

说明书

本发明涉及数值模拟技术领域，公开一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，以真实反映真三轴应力条件下岩石类材料强度特性与破坏模式。本发明方法包括：在FLAC3D数值模拟软件之中，二次开发基于Mogi‑Coulomb破坏准则的有限差分增量迭代计算格式，得到Mogi‑Coulomb本构模型；建立岩石类材料真三轴应力条件下数值模型，对该数值模型赋以基本物理力学参数，加载和调用Mogi‑Coulomb本构模型进行模拟运算以得到相应的数值模拟计算结果。本发明在进行真三轴条件下岩石类材料破坏特性数值分析时充分考虑了中间主应力对于岩石强度以及破坏模式的影响，使模拟结果更加真实可靠。

技术领域

本发明涉及数值模拟技术领域，尤其涉及一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法。

背景技术

在深部采矿工程或隧道工程中，高地应力条件下地下工程围岩在开挖前处于三维应力状态，且三个方向的主应力大小不一，此时，我们称岩石处于真三轴应力状态。众多国内外学者采用多种手段研究真三轴应力条件下岩石强度准则以及破坏模式，取得了丰硕的成果。室内试验，被认为是一种直观地、可靠地方式，已经广泛应用于岩石力学与岩石工程之中。因为常规三轴试验无法考虑中间主应力对岩石破坏的影响，Mogi于1970年最早设计出了适用于各种岩石类材料的并可以独立施加三个方向主应力的真三轴试验装置。通过一系列的真三轴试验，他发现中间主应力对于岩石的强度以及破坏模式确实存在着非常重要的影响。当中间主应力逐渐增大时，岩石的峰值强度会呈现先增大后降低的趋势；同时，岩石的破裂角(宏观裂纹与最小主应力方向夹角)随着中间主应力的增大而增大，最终由剪切破坏转变为劈裂(板裂化)破坏。

尽管国内外学者在室内真三轴试验装置及其试验方面做出了许多努力和尝试，但是应用数值模拟手段进行真三轴应力条件下岩石类材料破坏特性的研究却较为少见。事实上，采用数值模拟开展相关研究不仅可以节省大量的人力物力，还可以避免试验中所产生的高额费用。当前真三轴数值模拟研究相对匮乏的一个重要原因就是现有商业软件(这里主要指基于有限差分、有限元法原理的数值模拟软件，不包括离散元软件，如PFC等)中内置的本构模型不能够很好反映真三轴条件下岩石类材料的破坏特性。岩石强度准则经过数十年发展，目前已出现多种不同形式的强度准则，比如最大拉应力准则、Griffith准则、Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则等，尽管这些准则在岩石强度理论体系中已成为常用准则，但这些准则都没考虑中间主应力对岩石强度的影响。为了考虑中间主应力影响，不少学者通过理论推导发展了真三轴理论强度准则，比如Drucker-Prager准则、Lade准则以及由此发展起来的一系列理论公式，但是这些准则并不能准确预测岩石的强度，因此并不被广泛的应用于实际之中。

1972年，Mogi提出了一个基于广义Von-Mises准则的真三轴破坏准则。由于该公式是八面体剪应力关于平均有效应力的函数，因此Mogi准则充分考虑了中间主应力的作用。尽管这一准则可以很好的预测岩石类材料在真三轴应力条件下的强度特性，但是公式中包含的一些经验常数并没有能够与岩石类材料参数或其固有属性相关联，因此该准则必须通过室内真三轴试验数据进行反演拟合得到，实际意义不大。为了将真三轴破坏准则与常规三轴实验数据相关联，Al-Ajmi和Zimmerman于2005年提出了Mogi-Coulomb(线性版的Mogi准则)破坏准则。该准则不仅考虑了中间主应力的作用，其所包含的参数也可以通过岩石粘聚力和内摩擦角获得。因此，即使不进行室内真三轴试验，这一准则仍然适用。基于此，将Mogi-Coulomb破坏准则引入FLAC3D数值模拟软件之中开展真三轴应力条件下岩石类材料破坏特性的研究，是非常有科研和实际意义的。

发明内容

本发明目的在于公开一种考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，以真实反映真三轴应力条件下岩石类材料强度特性与破坏模式。

为达上述目的，本发明公开的考虑中间主应力效应的岩石类材料真三轴试验数值模拟方法，包括：