[发明专利]一种构建岩石材料弹塑性-损伤耦合力学本构模型的方法

说明书

本发明公开了一种构建岩石材料弹塑性‑损伤耦合力学本构模型的方法，包括以下步骤：工程现场获取岩石材料并制作标准圆柱体试样；开展不同围压下的常规三轴压缩力学试验；结合试验结果，得到岩石屈服准则、塑性硬化准则和非关联流动性法则；根据应力应变曲线计算岩石损伤变量，根据损伤变量‑轴向应变演化规律，得到岩石损伤演化方程；基于弹塑性力学理论和不可逆热力学损伤本构理论，推导本构方程；结合试验数据，获取模型参数；将该力学模型编写为UMAT子程序嵌入到ABAQUS有限元软件，开展三轴试验数值模拟，从而验证和改进模型。该方法力学意义明确，参数获取简单，适用范围广泛，且准确度较高。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种构建岩石材料弹塑性-损伤耦合力学本构模型的方法。

背景技术

岩石作为岩体的基本组成材料，大型岩石工程、能源开采、地下存储及地质现象分析研究都需对其力学特性开展深入理解。本构模型构建是对岩石力学特性的深入探索，亦是连接室内试验、理论分析和仿真模拟的关键环节。准确的力学本构不但能对岩石变形机理予以描述，亦应可反映其内部损伤破坏机理。而岩石作为一种复杂的自然地质体，其本身就是存在缺陷的，材料内部一般都存在大量的微孔洞、微裂纹等细观结构。在一定的外部荷载作用下，这些缺陷将发生扩展和贯通，形成宏观尺度的裂缝，随着裂缝的继续延展，最终将导致岩石材料构件或结构的断裂破坏。细观结构发生的这些不可逆的演化称为损伤。从物理上看，塑性变形是指裂隙或节理面间的摩擦滑动，而材料损伤是指内部微裂隙的成核、扩展及贯通。由此看见，塑性变形和损伤是同时发生而且相互影响的。因此，构建岩石材料的本构模型时，仅考虑塑性变形是不完整的，还需要研究其损伤力学特性，进而得到两者及其耦合作用对于岩石力学性能影响。

目前，岩石类材料的弹塑性本构模型已经得到了大量的研究。顾国荣和杨石飞等在专利《一种建立材料或土体弹塑性本构模型的方法》(201310140844.1)中公开了一种基于旁压试验结果构建材料或土体弹塑性本构模型的方法；王向余和刘华北等在文《一种实用的土体统一弹塑-黏塑性本构模型》(王向余,刘华北,宋二祥.一种实用的土体统一弹塑-黏塑性本构模型[J].河海大学学报(自然科学版)，2009，37(2): 166-170.)中运用非线性曼辛准则，建立了一种土体统一弹塑-黏塑性本构模型，张玉和王京印在文《一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法》(201510674185.9)中公开了一种考虑非关联流动性法则的岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法。这些学者们在室内试验结果的基础上，结合相关力学理论投建得到的弹塑性本构模型，都在一定的适用范围内得到了较好的验证和应用，但如前所述，光考虑岩石的塑性变形特征构建出来的模型是不完整的，因此适用范围受限，多数只能考虑材料的峰前力学特性，而无法对实际岩石工程中影响更大的峰后变形特征进行描述。