[发明专利]一种适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的构建方法，包括以下步骤：基于次加载面理论和修正CWFS模型，求解弹塑性矩阵；建立适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的方程。本发明为准确描述岩石材料在循环荷载下的非线性力学行为，包括滞回圈和累积塑性应变以及损伤效应，次加载面理论已经成功地运用到了金属、土和混凝土中，因此，基于次加载面理论，结合Drucker‑Prager屈服准则，采用修正的CWFS模型，为建立循环荷载下岩石损伤本构模型开辟了一条新路径。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的构建方法。

背景技术

在交通、建筑、采矿和水利等工程领域，经常遇到循环载荷作用及疲劳问题，岩石在循环荷载作用下的强度和变形规律与静态荷载作用下有显著不同。因此，研究在周期荷载作用下岩石的力学性能，对工程长期稳定性评价具有重要意义，而建立适用于循环荷载作用下岩石的损伤本构模型，是开展岩石工程长期稳定性评价的基础，也是岩石工程设计中迫切需要解决的重要课题之一。

目前国内外研究在实验层面上对循环荷载下岩石进行宏观力学特性的研究较多，通过建立损伤本构模型进行力学特性的研究较少。岩石材料在循环荷载下强度方面表现出劣化性，即损伤，变形方面则表现为记忆性、滞后性，主要有滞回圈及累积塑性应变。为了能模拟岩石在循环荷载下的力学和变形特性，目前的技术方案中关于构建适用于循环荷载下岩石损伤本构模型主要有两种，一种反映岩石在循环荷载下的变形特性，主要包括二元介质本构模型(刘恩龙,张建海,何思明等.循环荷载作用下岩石的二元介质模型[J].重庆理工大学学报(自然科学), 2013,27(9):6-11,16.)和岩石内时模型(莫海鸿.岩石的循环试验及本构关系的研究[J].岩石力学与工程学报,1988,7(3):215-224.)，这种模型虽在一定程度上较好地反映滞回圈和累积塑性应变，但该模型参数较多，且其物理意义不明确，同时参数确定存在较大的难度，最主要的是还不能反映岩石在循环荷载下的损伤效应。另一种则是基于循环荷载试验而提出的内变量疲劳本构模型，该模型能较好地反映岩石的强度随循环次数的变化情况，但是却需要把加载段和卸载段区分，而且还不能很好地完整描述岩石在循环荷载下的应力应变关系。

模拟循环荷载下的力学变形方面，次加载面理论是一个有益的选择。目前为止次加载面理论成功地运用到了金属、超固结土、砂土、饱和黏土和混凝土中，然而对于岩石的运用，至今还没有相关研究，而且该理论也没有考虑损伤效应。

综上所述，现在构造循环荷载作用下岩石损伤本构模型仍存在一定的缺陷，主要体现在：

(1)实验层面上对循环荷载下岩石进行宏观力学特性的研究较多，通过建立循环荷载作用下岩石损伤本构模型进行损伤力学特性的研究较少；

(2)目前的技术方案主要是把变形和强度特性区分考虑，并没有综合考虑循环荷载下岩石所表现出的滞回圈、累积塑性应变等变形特性和损伤效应等强度特性；

(3)目前为止次加载面理论成功地运用到了金属、土和混凝土中，然而对于岩石的运用，至今还没有相关研究，而且该理论也没有考虑损伤效应。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供一种适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的构建方法，结合次加载面理论和Drucker-Prager屈服准则，采用修正CWFS模型考虑循环荷载造成的强度损伤效应，推导了弹塑性变形阶段的应变增量和应力增量的关系矩阵，以及相似比的关系式，建立能反映岩石在循环荷载下的力学性质和变形特征的本构模型，模型参数具有物理意义并均可基于试验结果获取，具有广泛的适用性。通过有限元程序/软件，实现了该本构模型的植入，对单轴/三轴循环加卸载试验进行数值模拟，验证此本构模型。

本发明的目的通过以下技术措施实现：

一种适用于循环荷载下岩石损伤本构模型的构建方法，包括以下步骤：