[发明专利]一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法

权利要求书

1.一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：

①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：

其中，D(T)为冻融损伤变量，P(T)为冻融循环次数为T时的宏观力学参数，P₀为冻融循环次数为0时的宏观力学参数，D(t)为时效性损伤变量，w(t)为损伤密度函数，t为时间，θ与λ为长期受荷损伤参数，e为自然常数；

②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程，即：

式中，ε为总变形位移；σ为总应力；E_M、E_K为弹性模量；η_K、η_M为黏滞系数，D_E(T)为弹性冻融损伤变量，D_η(T)为黏性冻融损伤变量；

③对现场软岩进行标准规程采样，将完整性较好且声速波动较小的岩样放入室内进行冻融循环试验及不同冻融循环后的三轴蠕变试验，并记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；

④将步骤③试验所得出的应变时间曲线与步骤②中的本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；

⑤将步骤④确定的岩石力学参数转化为岩体力学参数，基于岩体的结构面、风化程度与水文地质条件来定义转化函数，确定出来的包含岩体的应力、弹性模量与黏滞系数，具体为：

式中，σ_m为岩体应力；E_ck、cm为岩体弹性模量；η_ck、cm为岩体黏滞系数；m_i为完整岩石常数；k值为岩体结构面系数；d为扰动系数；f(m_i,k,d)、g(k,d)与h(k)岩体质量综合评价函数，具体为：

⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数，等效方程为：

其中，T_e为实验室等效冻融循环次数；T_F为实验室冻融循环破坏寿命；T_i为现场单次气候特征变化的循环加载次数；T_Fi为现场单次气候特征变化的循环加载对应的疲劳寿命；

⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量，确定岩体初始应力及应变率，通过对步骤2冻融时效损伤耦合本构方程求关于时间的一阶偏导与实测位移增量进行误差拟合，得出现状岩体历史变形时长，即：

⑧预测该岩体在未来t_f时刻所对应的应变值，将步骤⑤确定的现场岩体力学参数、步骤⑥确定的等效冻融循环次数及步骤⑦实测的初始应力带入步骤②中的本构方程构建现场岩体目标变形函数ε(t)，线性叠加历史变形时长t_m及预测变形时长tf代入ε(t)，ε(t_m+t_f)即为现场岩体在未来t_f时刻的变形量。

2.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征是：所述步骤②中的冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程为岩石单向应力条件下的表达式，其三向应力表达式为：

式中，e_ij为偏应变张，S_ij为偏应力张量，G_M与G_K为剪切模量，σ₁、σ₂与σ₃为主向空间第一、二和三主应力，K为体积模量，ε_s为第一主应变；

3.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征是：所述步骤①中冻融循环试验要求目标试样冻融循环温差与时长应与现场气象资料一致，偏差不高于1℃与20min；

4.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征在于：所述步骤①中冻融循环后软岩三轴蠕变试验围压选取应与现场实测地应力场分布状况一致，偏差不大于0.1MPa；

5.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征在于：所述步骤⑦中基于实测位移增量与理论应变率进行拟合求变形时长的具体实施步骤如下：

Ⅰ.根据现场位移传感器记录危岩体变形位移增量Δε₁、Δε₂、Δε₃、…、Δε_n；

Ⅱ.对上述所推导的本构方程求关于时间的一阶偏导并建立等效时差函数

Ⅲ.在收集n个数据的基础上对等效时差函数求关于实测位移量的离散型方差，并求其极小值s_m，极值对应的自变量t_m即为变形记录起始时。