[发明专利]基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型

说明书

本发明公开了一种基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型，S1、设定节理薄层细观单元体受荷即进入线弹性阶段，节理薄层细观单元体是各向同性的连续介质，细观单元体由无损状态转化为有损状态是瞬时完成的，且过程不可逆；S2、基于Weibull分布函数，定义外荷阀值F^*，得到细观单元体的破坏概率密度函数；S3、基于流变模型力学元件，采用弹簧和摩擦片的组合模拟细观单元体受荷情况，得到剪切作用下节理的统计损伤本构模型；S4、根据岩土材料受荷损伤后即变为损伤与未损伤两部分，确定外荷阀值F^*，得到剪切变形过程节理的损伤演化模型和节理剪切变形损伤本构模型；S5、确定所述节理剪切变形损伤本构模型参数m、u₀、u_s；S6、验证本构模型的正确性。

技术领域

本发明属于岩石剪切面特性的技术领域，具体涉及一种基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型。

背景技术

天然岩体在形成过程中经历了复杂的地质作用，其内部存在性质各异的各类节理，工程岩体的破坏机制很大程度上受节理控制，而节理的力学性质主要受其抗剪强度控制，对节理的剪切特性研究是岩石力学研究中的关键科学问题和热点问题。一直以来，节理剪切理论研究的重点都是建立一个能准确反映节理力学特性与剪切全过程的本构模型。国内外学者针对节理剪切特性进行了大量试验分析与理论研究，提出了一些经典本构模型描述节理的剪切力学变形特性。例如，Bandis^[1]根据直剪试验结果，提出采用双曲线函数拟合峰值前区的剪切应力-位移曲线。S.Saeb和B.Amadei^[2]分析节理的剪切应力-位移全过程，提出纯线性的剪切本构模型，采用分段线性函数描述应力-位移关系。G.Grasselli^[3,4]对37组节理直剪试验结果进行分析，认为峰前部分采用线性函数拟合，峰后部分采用双曲线函数拟合。事实上，大量的直剪试验数据^[4]表明峰值前后的剪切应力–位移关系并非简单的线性关系。自20世纪70年代以来，损伤力学的兴起为研究节理剪切特性提供了新思路。损伤力学将岩石中大量存在的天然微裂隙看成一种损伤^[5,6]，众多学者^[7-13]开展了岩石本构模型的研究。C.S.Desai^[14]从缺陷的随机分布出发，基于损伤理论建立节理的DSC剪切本构模型。Wang Z L^[15]发现微裂隙从损伤到断裂是一个连续的过程，在比较德鲁克-普拉格准则和莫尔-库仑准则后，提出了一种基于单元强度遵循Weibull分布的岩石损伤软化统计本构模型。Simon^[16]发现节理剪切变形达到峰值后会出现非线性软化现象，并采用指数函数曲线进行描述。

以上对于节理剪切损伤本构模型方面的研究，有力地促进了损伤理论在岩石力学中的发展。然而，已有的本构模型主要是以与试验曲线形状贴合为目的，导入参数过多且物理意义不明确，对于节理单元体力学响应规律研究相对匮乏，将节理剪切峰前和峰后变形作为整体开展的研究更是鲜见报道。以上参考文献如下：

[1]Bandis SC,Lumsden AC,Barton NR.Fundamentals of rock jointdeformation[J].International Journal of Rock MechanicsMining SciencesGeomechanics Abstracts,1983,20(6):249-268.

[2]Saeb S.Modelling of rock joints under shear and normal loading:Saeb,S；Amadei,B Int J Rock Mech Min SciV29,N3,May 1992,P267–278[J].International Journal of Rock MechanicsMining SciencesGeomechanicsAbstracts,1992,29(6):344.