[发明专利]黏结裂纹模型中的岩石软化曲线确定方法及装置

说明书

本发明提供了黏结裂纹模型中的岩石软化曲线确定方法及装置，能完整准确地反映岩石软化曲线的3段式变化，可同时适用于软岩与硬岩、拟合精度高、全过程无人为因素干扰。岩石软化曲线确定方法，包括如下步骤：步骤1.获取待测岩石的峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变；步骤2.根据岩石脆性指数B不同，将岩石单轴拉伸试验数据分为软岩、硬岩两类；步骤3.对岩石应力—应变曲线的峰后阶段进行归一化处理；步骤4.采用幂—指软化函数对归一化处理后的数据进行拟合，确定分别适用于软岩、硬岩的拟合参数；步骤5.将拟合参数代入幂—指软化函数中，得到黏结裂纹模型中的岩石软化曲线

技术领域

本发明属于岩石力学与岩石工程领域，具体涉及黏结裂纹模型中的岩石软化曲线确定方法及装置。

背景技术

伴随岩石应力—应变曲线中峰后阶段应变软化现象(见图1(a))的发现，适用于岩石等脆性材料的黏结裂纹模型被提出。通过简化数学关系，黏结裂纹模型明确定义了裂纹产生+裂纹扩展两个准则，为有限单元法(FEM)、有限元—离散元混合方法(FDEM)等数值计算方法模拟岩石破裂过程提供了一种较为简单可靠的手段。为此，作为一种通用模型，其被广泛应用于隧道/巷道、采矿、水利等岩石工程的数值模拟分析预测中。

在黏结裂纹模型中，岩石软化曲线(应力—裂纹张开度关系)至关重要；作为数值模拟时的输入量，其等效定义了每个单元的本构关系。为此，合理确定黏结裂纹模型中的岩石软化曲线，是确保岩石工程数值模拟结果(分析预测)可靠的关键。由于数值模拟已经成为岩石工程不可或缺且愈发重要的分析预测手段，所以数值模拟结果(分析预测)的可靠与否，直接决定了岩石工程的决策是否科学，最终影响到岩石工程的安全性等。例如，在隧道工程中，数值模拟结果(分析预测)不准确，会导致采取的支护措施不合理：支护过弱，存在安全性风险；支护过强，存在浪费。为此，合理确定黏结裂纹模型中的岩石软化曲线，具有重大的工程应用价值(例如，用于川藏铁路隧道工程数值模拟的分析预测中)。

理论上讲，有两种方法可以确定岩石软化曲线：一是借助岩石细观力学模型；二是借助岩石单轴拉伸试验。截至目前，前者尚无应用，原因是简单可靠的岩石细观力学模型尚未被提出；后者由于具有可行性，已经被初步应用于黏结裂纹模型中。整体看，后者通过基于对在实验室内获取的岩石单轴拉伸试验数据的认识，首先提出近似合理、可行的软化函数，然后通过数学拟合确定软化函数的拟合参数，进而将其表征的函数曲线作为黏结裂纹模型中的岩石软化曲线。为此，软化函数的合理确定，尤为关键。

目前使用的软化函数(曲线)，包括两类(见图2(a)与图2(b))：①线性软化函数(单线性、双线性、三线性、多线性)，最先被提出，优点是拟合参数少(手动拟合容易)，缺点是函数形式复杂(材料参数多)、拟合精度低；②非线性软化函数，为克服线性软化函数的缺点而被提出，优点是函数形式简单(材料参数少)、拟合精度高，缺点是拟合参数多(手动拟合困难)。

真实的岩石软化曲线，呈3段式变化：近平行—急速降低—平缓降低(见图1(b))。为此，判断确定方法好坏的标准，由能否完整反映岩石软化曲线的3段式变化所决定。例如，单线性与双线性软化函数相比：前者，仅能粗略反映降低趋势；后者，能大致反映3段式变化中的后2段(急速降低—平缓降低)；所以，以拟合精度而言，后者更好。

考虑到非线性软化函数在表征岩石软化曲线的3段式变化方面的独特优势，岩石力学界已经意识到发展非线性软化函数的急迫性。然而，由于岩石材料的天然复杂性+岩石单轴拉伸试验装置的制约，一直未有实质性突破，导致目前使用的非线性软化函数(曲线)仍不能完整反映3段式变化(仅能大致反映后2段)。根源在于，它们有三个共性缺点：

①它们中的一些不能与横坐标轴相交；这意味着需要引入额外的假设条件，强制使其与横坐标轴相交。

②没有软化函数，它的导数在两个端点同时为0；这是确保岩石软化曲线在两个端点平行的关键。