[发明专利]多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法

权利要求书

1.多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取配多元化工业固废充填浆料浇筑到模具中，制备期龄分别为3天、7天及28天，规格为Φ50mm×100mm的圆柱形充填材料试样；利用岩石力学性能测试设备获取试样常规三轴应力应变曲线和分级蠕变曲线；

(2)以步骤(1)中的试验结果为主要依据，设定能够描述充填材料加速蠕变阶段的流变元件，构建能够表征充填材料瞬时变形、减速蠕变、等速蠕变及加速蠕变全过程的蠕变本构模型，并进行模型参量识别；

(3)结合工作面矿压显现特点，研究煤层顶底板对充填体的夹持力学作用机理，分析充填体压缩变形的边界条件，构建充填体承载力学模型，阐述充填体承载压缩特性；

(4)基于对充填体压缩变形过程中，覆岩与充填体能量转化特征的研究，结合突变理论，建立充填体破坏失稳的突变数学模型，给出充填体破坏失稳的临界变形量，得到充填体稳定承载的判别标准；

(5)将步骤(2)至步骤(4)中的三个模型组成整体，构成多元化工业固废充填材料长期力学性能表征模型，依次利用本构模型提供充填体力学属性，利用力学模型提供充填体边界条件，利用数学模型评判充填体承载效果。

2.根据权利要求1所述的多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，其特征在于，步骤(2)中，充填材料加速蠕变元件的设定需考虑初始损伤效应的影响，并将其设置为一种非线性塑性损伤元件即NPDM，NPDM的塑性损伤单元由损伤部分与未损伤部分构成，其中损伤部分由初始损伤与蠕变损伤构成，考虑初始损伤效应的NPDM蠕变方程为：

式中，E_N为NPDM弹性模量，GPa；σ_s为屈服应力，Mpa；σ_ds为偏应力，即σ_ds＝σ₁-σ₃，Mpa；D₀为蠕变前的初始损伤；r为常数，由充填材料属性决定。

3.根据权利要求1所述的多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，其特征在于，步骤(2)中构建蠕变本构模型时，采用Hook体、Kelvin体、Bingham体及NPDM串联的方式，并将所述流变元件中包含的Newton体替换为Abel黏壶，建立充填材料非线性分数阶蠕变本构模型，其蠕变方程为：

式中，σ_sB为Bingham体启动应力门槛值，MPa；σ_sN为NPDM启动应力门槛值，MPa；K_H为Hook体体积模量，GPa；G_H为Hook体剪切模量，GPa；G_K为Kelvin体剪切模量，GPa；η_K为粘滞系数，MPa·s；α与ω均为求导阶数，0≤α≤1，0≤ω≤1；E_α,α+1为Mittag-Leffler函数，其变量为α，在该模型中视为常数；Γ(1+ω)为Γ函数，其变量为ω，在该模型中视为常数。

4.根据权利要求3所述的多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，其特征在于，步骤(2)中，进行模型参量识别时，将模型参数分为试验求解参数、方程求解参数及拟合求解参数三类，采用分类求解的方法，进行模型参数识别，具体为：

(1)试验求解参数，是指启动应力门槛值值σ_sB与σ_sN，分别对应于步骤(1)充填材料试件蠕变试验中，发生体积膨胀与体积扩容的最小应力值；

(2)方程求解参数，是指瞬时变形参数K_H与G_H，利用充填材料非线性分数阶蠕变本构模型的蠕变方程，取t＝0时刻，联立方程组求解；

(3)拟合求解参数，是指无法联立方程组求解，需要通过数值拟合的方法确定的参数，包括G_K、α、η_K、E_α,α+1、ω、η_B、Γ(1+ω)、K_N、G_N及r，采用LM算法对上述非线性最小二乘问题进行求解。