[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

说明书

本发明涉及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，本方法包括以下步骤：S1、含天然岩石节理面的人工节理试样的制备；S2、人工节理试样剪切试验；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、构建基于三维形貌参数的节理抗剪强度弱化本构模型。本发明基于三维形貌参数建立的岩石节理抗剪强度弱化本构模型物理力学意义明确，可以准确地预测节理的峰后抗剪强度，可为数值模拟软件提供可靠的岩石节理模型，对于准确评估工程岩体的安全与稳定具有重要的理论研究意义和较高的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

在节理剪切试验中，剪切应力-剪切位移过程曲线往往呈现出明显的峰值后区形态，以往的研究主要集中在节理面的形貌特征对节理峰值抗剪强度的影响方面，而对于节理峰后抗剪强度弱化规律的研究较少。与此同时，在极个别能表征节理峰后抗剪强度本构模型表达式中，模型参数大多没有明确的物理力学意义，无法准确地反映节理在剪切过程中其强度参数的弱化规律。

发明内容

本发明的目的在于针对现有岩石节理本构模型的不足，提供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，该方法建立的岩石节理抗剪强度弱化本构模型参数物理力学意义明确，可以直观地反映节理面在剪切过程中产生的劣化，能准确地预测节理的峰后抗剪强度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

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，包括以下步骤：

S1、含天然岩石节理面的人工节理试样制备

对天然岩石节理面采用非接触拍照式三维蓝光扫描仪进行形貌扫描，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，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。

S2、人工节理试样剪切试验

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，以获得节理的抗剪强度数据，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。

S3、每个试样剪切试验完成后，扫描节理面的三维形貌，采用基于Grassilli形貌参数的三维粗糙度参数对三维形貌特征进行量化表征，其中A₀为最大接触面积比、为最大视倾角、C为粗糙度参数，基于此拟合出剪切过程中三维形貌的劣化规律为：

式中和分别代表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。

S4、节理面三维形貌参数与节理抗剪强度间的关系通过方程表示为：

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。