[发明专利]基于三维形貌参数建立节理抗剪强度弱化本构模型的方法

权利要求书

1.基于三维形貌参数建立节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，包括以下步骤

S1、对天然岩石节理面进行形貌扫描，通过对扫描得到的点云数据进行后处理得到节理面的三维数值模型，将数值模型导入3D打印机中，采用高分子材料PLA打印出节理面模具，通过该模具采用岩石相似性材料浇筑含天然岩石节理面的人工节理试样；

S2、对人工节理试样进行不同法向应力、不同剪切位移的直剪试验，获取节理试件的抗剪强度数据；

S3、扫描剪切试验后的节理面三维形貌，并对三维形貌特征进行量化表征，拟合出剪切过程中三维形貌的劣化规律；

S4、根据节理面三维形貌参数与节理抗剪强度间的关系，构建基于三维形貌的节理抗剪强度弱化模型。

2.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S1中，三维形貌扫描采用的是非接触拍照式三维蓝光扫描仪，扫描前需先将节理面表面清扫干净，再喷上一层薄薄的显像剂，并贴上标记点。

3.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S1中，人工节理试样浇筑具体是通过以下方式进行：

将节理面模具放入模具盒内并用硬块垫高至模具盒垂直方向的中间位置，并浇筑出节理试样的下盘，然后再将节理试样的下盘放入模具盒内浇筑出节理试样的上盘，以确保节理试样的上下盘完全耦合。

4.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S2中，不同法向应力的设置是通过材料的单轴抗压强度来确定的，不同剪切位移的设置是通过前期直剪试验估计的峰值剪切位移和残余剪切位移来确定的，剪切试验的剪切速率设置为0.002mm/s，以保证剪切过程处于拟静力状态下，同时也为及时停止试验提供了充足的反应时间。

5.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S3中，每个试样剪切试验完成后，用细毛刷将表面疏松的碎屑、颗粒清理掉。

6.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S3中，所述三维形貌特征进行量化表征采用的是基于Grassilli形貌参数的三维粗糙度参数其中A₀为最大接触面积比、为最大视倾角、C为粗糙度参数。

7.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S3中，所述剪切过程中三维形貌的劣化规律表示为：

式中和分别为峰值和峰后剪切位置的节理三维粗糙度参数，f(δ,σ_n)代表与剪切位移δ和法向应力σ_n有关的衰减函数，其拟合方程为：

式中L为节理的长度，σ_n为节理上的法向应力，σ_c为材料的单轴抗压强度，D、n₁、n₂为与节理试样相关的参数，分别代表衰减系数、应力指数、位移指数。

8.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S4中，所述节理面三维形貌参数与节理抗剪强度间的关系通过如下方程表示为：

式中为节理基本摩擦角，JMC为节理吻合系数，K₁为峰前损伤系数，代表峰值处的节理面三维粗糙度参数，K₂为比例系数。

K₁、K₂均与法向应力σ_n相关，因此存在系数K使得：

式中：a、b为与节理面剪切试验相关的经验系数。

由于所研究节理初始完全耦合，因此假定在峰值处节理面吻合系数JMC为1，则有：

9.根据权利要求1所述的基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，其特征在于，在所述S4中，所述基于三维形貌的节理抗剪强度弱化本构模型的表达式为：

式中JMC_r为节理在剪切峰后处的吻合系数。