[发明专利]岩体幂函数型细观时效破裂三维模型

摘要

本发明涉及一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型。本发明适应于三维应力空间条件下应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于这类深部岩体工程在三维应力条件下的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

主权项

1.一种岩体幂函数型细观时效破裂三维模型，其特征在于：所述三维模型包括考虑弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式、考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式、考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则、以及考虑阻尼效应的细观颗粒线性接触三维模型；考虑扭矩对岩体内部细观颗粒三维粘结法向正应力的贡献程度，所述弯扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式为岩体内部细观颗粒粘结正应力三维计算公式中设置了扭矩贡献因子考虑弯矩对岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力的贡献程度在扭贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力三维模式中的岩体内部细观颗粒粘结剪应力三维计算公式中设置了弯矩贡献因子在上述公式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结半径，为用于确定扭矩在应力中的贡献程度的扭矩贡献因子，为用于确定弯矩在应力中的贡献程度弯矩贡献因子，I为岩体内部细观颗粒三维粘结的惯性矩，J为岩体内部细观颗粒三维粘结的极惯性矩，A为岩体内部细观颗粒三维粘结面积，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结正应力，为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结剪应力，分别为第i个接触的岩体内部细观颗粒三维粘结法向力、切向合力、切向合扭矩和法向弯矩，其中，岩体内部细观颗粒三维粘结法向力式中，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向的位移增量，为岩体内部细观颗粒三维粘结法向刚度，+＝符号为加法自反运算符；切向合力式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向力和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向力，其中，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；切向合扭矩式中，分别为岩体内部细观颗粒粘结切向ss方向扭矩和岩体内部细观颗粒粘结切向st方向扭矩，ss和st为同一平面上相互垂直的两个方向的代号；法向弯矩式中，为岩体内部细观颗粒粘结法向的相对转角增量，为岩体内部细观颗粒粘结切向刚度，‑＝符号为减法自反运算符；所述考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式包括在岩体细观颗粒粘结时效劣化衰减时，设置了幂函数型与考虑弯扭贡献因子的粘结应力相关的细观颗粒粘结三维劣化衰减模式，见幂函数型更新率：式中，为判断岩体内部细观颗粒三维粘结开始时效劣化衰减时的应力阀值，为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度，为考虑弯扭贡献因子的颗粒三维粘结应力比，β₁为控制幂函数整体变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，β₂为控制幂函数上标部分变化的岩体内部细观颗粒三维粘结时效劣化系数，为岩体细观颗粒三维粘结应力；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了三维与考虑弯矩贡献因子的粘结应力相关幂函数型模式，该幂函数型模式中的岩体内部细观颗粒粘结直径随时间逐步劣化衰减，见粘结直径公式式中，为岩体内部细观颗粒粘结随时间劣化衰减的直径，为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的直径，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量；在考虑弯扭贡献因子的细观颗粒粘结时效劣化衰减的三维幂函数型模式中设置了岩体内部细观颗粒粘结面积、惯性矩和极惯性矩的时效劣化衰减三维模式，分别见粘结单位厚度为1时的三维粘结面积计算公式粘结单位厚度为1时的三维粘结惯性矩计算公式和粘结单位厚度为1时的三维粘结极惯性矩计算公式其中，β为岩体内部细观颗粒三维粘结直径的时效衰减因子，β的计算公式为其中，A'、I'、J'、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结随时间劣化衰减的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数，Δt为岩体时效衰减劣化的时间增量，A、I、J、分别为岩体内部细观颗粒三维粘结未衰减时的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结极惯性矩、粘结直径乘数；同时按照这种三维幂函数型时效劣化衰减模式估算岩体内部细观颗粒三维粘结破裂的初始时间步长增量，见公式其中，为第i个接触的岩体内部细观颗粒粘结直径乘数，n_c为第一个岩体内部细观颗粒粘结破裂所需的循环计算的次数，β_σ、β_τ分别为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度和剪切强度状态下的时效劣化因子，∞为无穷大，岩体细观颗粒三维粘结拉伸强度状态下的时效劣化因子β_σ和岩体细观颗粒三维粘结剪切强度状态下的时效劣化因子β_τ可分别由公式：根据迭代法或二等法求解这两个方程获得，其中为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸强度，为岩体内部细观颗粒三维粘结的粘聚力，为岩体内部细观颗粒三维粘结的内摩擦角,F_σ为β_σ的函数，F_τ为β_τ的函数，π为圆周率；所述考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则包括公式：其中，f^s为摩尔‑库伦细观颗粒三维粘结剪切时效破裂准则，fⁿ为摩尔‑库伦细观颗粒三维粘结拉伸时效破裂准则，为第i个接触的含幂函数型时间效应且考虑弯矩贡献因子的岩体细观颗粒三维粘结剪应力，为第i个接触的含幂函数型时间效应且考虑扭矩贡献因子的岩体细观颗粒三维粘结正应力，分别为岩体内部细观颗粒粘结拉伸强度、抗剪强度，为第i个接触的含幂函数型时间效应且考虑扭矩贡献因子的岩体内部细观颗粒粘结正应力，的计算公式为的计算公式为在所述考虑弯扭贡献效应且带拉伸截止限的摩尔库伦细观颗粒粘结时效破裂准则的细观颗粒三维粘结应力中包含了幂函数型时间效应，见岩体内部细观颗粒粘结直径的时效衰减因子计算公式f^s大于等于0为岩体内部细观颗粒三维粘结剪切破裂，小于0为岩体内部细观颗粒三维粘结未发生剪切破裂；fⁿ大于等于0为岩体内部细观颗粒三维粘结拉伸破裂，fⁿ小于0为岩体内部细观颗粒三维粘结未发生拉伸破裂。