一種巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖石作為巖體的基本組成材料，大型巖石工程、能源開采、地下存儲及地質(zhì)現(xiàn)象分 析研究都需對其力學(xué)特性開展深入理解。本構(gòu)模型構(gòu)建是對巖石力學(xué)特性的深入探索，亦 是連接室內(nèi)試驗、理論分析和仿真模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。準(zhǔn)確的力學(xué)本構(gòu)不但能對巖石變形機(jī) 理予以描述，亦應(yīng)可反映其內(nèi)部損傷破壞機(jī)理。因此，構(gòu)建非線性的彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型是 研究巖石力學(xué)特性的重點(diǎn)內(nèi)容。
[0003] 巖石類材料彈塑性本構(gòu)模型最早是根據(jù)金屬材料的經(jīng)典彈塑性理論拓展得到，包 括彈性和塑性理論；彈性理論主要基于胡克定律（Hooke's law)進(jìn)而描述線性的應(yīng)力-應(yīng) 變關(guān)系；塑性理論通常采用塑性增量理論，即以增量形式反映應(yīng)力增量和應(yīng)變增量間的關(guān) 系。近年來隨著試驗設(shè)備和力學(xué)理論的不斷完善，構(gòu)建巖石力學(xué)本構(gòu)模型得到了迅速發(fā)展， 許多學(xué)者基于實測試驗資料并結(jié)合理論力學(xué)原理，提出了一些彈塑性本構(gòu)模型，但均存在 一定的局限性；
[0004] 申請?zhí)枮?01310140844. 1的發(fā)明專利《一種建立材料或土體彈塑性本構(gòu)模型的 方法》中公開了一種基于旁壓試驗結(jié)果構(gòu)建材料或土體彈塑性本構(gòu)模型的方法；由于旁壓 試驗為在現(xiàn)場鉆孔中進(jìn)行的一種水平向荷載試驗，僅適用于粘性土、粉士、砂土、碎石土、殘 積土、極軟巖和軟巖材料，故針對呈現(xiàn)脆性破壞的硬巖并不適用，該方法存在一定的局限 性；其次該方法推算得到的所述材料應(yīng)力和應(yīng)變增量的關(guān)系矩陣，主要依據(jù)為土體體應(yīng)變 的擬合曲線，未考慮材料變形破壞的力學(xué)機(jī)理，不能反映其屈服、硬化、破壞等力學(xué)特征，故 存在一定的誤差性。
[0005] 《一種實用的土體統(tǒng)一彈塑-黏塑性本構(gòu)模型》（王向余，劉華北，宋二祥·一 種實用的土體統(tǒng)一彈塑-黏塑性本構(gòu)模型[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009， 37 (2) : 166-170.)中運(yùn)用非線性曼辛準(zhǔn)則，建立了一種土體統(tǒng)一彈塑-黏塑性本構(gòu)模型，該 模型簡單實用且能合理地考慮土體非線性、動力滯回和流變特性；但此模型未考慮巖石材 料力學(xué)變形中的流動法則，即未規(guī)定塑性應(yīng)變增量的大小和方向，導(dǎo)致其模擬側(cè)向變形結(jié) 果存在一定的誤差性。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)存構(gòu)建巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的方法仍存在一定的缺陷，主 要體現(xiàn)在：
[0007] (1)采用關(guān)聯(lián)性流動法則，未考慮軸向和側(cè)向變形的差異性；
[0008] (2)多為理想彈塑性模型，未考慮材料的硬化特性；
[0009] (3)屈服破壞面單一，未考慮變形破壞的差異性，且擴(kuò)展性較差。
[0010] 因此亟需提供一種考慮材料屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)性流動法則和硬化準(zhǔn)則的、且適用 范圍廣、準(zhǔn)確度高的構(gòu)建巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的構(gòu)建方 法，本方法綜合考慮屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)流動法則和硬化準(zhǔn)則，構(gòu)建彈塑性變形階段的應(yīng)變增 量和應(yīng)力增量的關(guān)系矩陣，進(jìn)而得到巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型，構(gòu)建出的模型表達(dá)式 唯一，參數(shù)較少且均可基于試驗結(jié)果獲取，由此保證了求解的唯一性和準(zhǔn)確性，亦具有廣泛 的適用性。
[0012] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0013] -種巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：
[0014] (1)對待測巖石試件進(jìn)行三軸巖石力學(xué)實驗，測量并記錄巖石試件的軸向、側(cè)向應(yīng) 變隨應(yīng)力的變化值，計算巖石試件的體積應(yīng)變；
[0015] (2)根據(jù)記錄的巖石試件全程軸向和側(cè)向應(yīng)變變化，繪制應(yīng)力-軸向、側(cè)向應(yīng)變關(guān) 系曲線，得到不同圍壓作用下的峰值應(yīng)力和巖石由彈性向塑性轉(zhuǎn)化的屈服起始點(diǎn)應(yīng)力，分 別確定試件所屬巖石材料的屈服破壞準(zhǔn)則和硬化準(zhǔn)則；
[0016] (3)根據(jù)計算的巖石試件的體積應(yīng)變，繪制應(yīng)力-體積應(yīng)變關(guān)系曲線，獲取不同圍 壓作用下巖石體積由壓縮向擴(kuò)容轉(zhuǎn)化的分界強(qiáng)度，確定試件所屬巖石材料的非關(guān)聯(lián)性流動 準(zhǔn)則；
[0017] (4)利用熱力學(xué)彈塑性理論，結(jié)合巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力、屈服起始應(yīng)力 和分界強(qiáng)度，選擇巖石本構(gòu)方程的力學(xué)參數(shù)取值，確定本構(gòu)模型。
[0018] 進(jìn)一步的，還包括步驟（5)，利用控制器進(jìn)行仿真，模擬實驗效果，驗證并改進(jìn)模 型。
[0019] 所述步驟（1)中，巖石試件為圓柱形。
[0020] 優(yōu)選的，所述巖石試件的高度與直徑比為2:1。
[0021] 所述步驟（1)中，所述巖石試件的具體制備方法為：對原始巖塊鉆孔取芯，獲取圓 柱狀長巖芯，對長巖芯端面進(jìn)行切割得到端面平整試件，對試件端面磨平。
[0022] 所述步驟（1)中，三軸巖石力學(xué)實驗的具體方法為：在恒溫恒濕條件下，向巖石試 件施加圍壓σ3至穩(wěn)定，其次保持圍壓恒定，對試件開展偏應(yīng)力〇「〇3加載的巖石力學(xué)試 驗，試驗全程測量軸向應(yīng)變E1和側(cè)向應(yīng)變ε 2的變化，最后計算得到體積應(yīng)變ε ν，對于圓 柱形試件，體積應(yīng)變εν= ε ι+2ε2。
[0023] 所述步驟（2)中，屈服破壞準(zhǔn)則的確認(rèn)方法為：基于不同圍壓σ 3下的巖石峰值應(yīng) 力σ lp，以巖石試件此時平均應(yīng)力
偏應(yīng)力q = 〇 1ρ_ 〇 3為條件，做出峰值應(yīng) 力ρ-q關(guān)系曲線，根據(jù)該ρ-q曲線的形狀，確定出適合該巖石的塑性硬化準(zhǔn)則。
[0024] 所述步驟（2)中，硬化準(zhǔn)則的確定方法為：基于不同圍壓σ 3下的巖石塑性屈服起 始點(diǎn)應(yīng)力〇 ly，以巖石試件的平均應(yīng)力
偏應(yīng)力q = 〇 ly-o 3為條件，做出屈 服起始應(yīng)力Ρ-q關(guān)系曲線，根據(jù)該Ρ-q曲線的形狀，確定出適合該巖石的塑性硬化準(zhǔn)則。
[0025] 所述步驟（3)中，流動法則的確定方法為：基于不同圍壓σ 3下巖石壓縮和擴(kuò)容的 CN 105181435 A 兄明十ι 3/10 頁 分界強(qiáng)度σ lv，以巖石試件的平均應(yīng)力
偏應(yīng)力q = σ 1ν-σ 3為條件，做出分界 強(qiáng)度ρ-q關(guān)系曲線，根據(jù)該ρ-q曲線的形狀，確定出適合該巖石的非關(guān)聯(lián)塑性流動準(zhǔn)則。
[0026] 所述步驟（4)中，具體方法為：巖石總應(yīng)變ε由彈性應(yīng)變％和塑性應(yīng)變ε，且 成，結(jié)合彈塑性力學(xué)理論，推導(dǎo)出巖石本構(gòu)方程；并基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力p-q 曲線、屈服起始應(yīng)力Ρ-q曲線和分界強(qiáng)度Ρ-q關(guān)系曲線，確定出方程的力學(xué)參數(shù)取值。
[0027] -種巖石三軸力學(xué)試驗儀，包括圍壓加載器、偏壓加載器、軸向應(yīng)變測量器、側(cè)向 應(yīng)變測量器、試樣夾持器和數(shù)據(jù)傳感器；其中，圍壓加載器用于圍壓的施加并保持恒定；偏 壓加載器用于偏壓的施加；圍壓加載器、偏壓加載器均連接試樣夾持器；軸向應(yīng)變測量器 用于測量試樣軸向應(yīng)變；側(cè)向應(yīng)變測量器用于測量試樣側(cè)向應(yīng)變；兩者均設(shè)置于試樣夾持 器外側(cè)；試樣夾持器用于安裝試件并將其固定，數(shù)據(jù)傳感器連接試件夾持器，用于采集并傳 輸試件軸向和側(cè)向應(yīng)變的變化。
[0028] 本發(fā)明的有益效果為：
[0029] (1)本發(fā)明為準(zhǔn)確構(gòu)建巖石材料彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型提供了一種新方法，該模型 基于巖石三軸常規(guī)力學(xué)試驗，可構(gòu)建簡單明確的非線性應(yīng)變和應(yīng)力增量關(guān)系矩陣，具有較 高的準(zhǔn)確性和廣泛的適用性；
[0030] (2)綜合考慮了巖石材料的屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)性流動法則和硬化準(zhǔn)則，可良好反映 巖石材料彈塑性力學(xué)行為，認(rèn)為其力學(xué)意義明確，保證了本構(gòu)模型的唯一性和準(zhǔn)確性；
[0031] (3)建立的模型參數(shù)較少，均可通過室內(nèi)試驗結(jié)果獲?。磺铱删幾g為有限元軟件 的嵌入式程序，由此認(rèn)為該方法簡單便捷，準(zhǔn)確度較高，易于推廣應(yīng)用于實際巖石工程計算 與分析。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明實施例的流程圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明所需的巖石三軸常規(guī)力學(xué)試驗儀；
[0034] 圖3 (a)為典型的碎裂巖試樣；
[0035] 圖3 (b)為典型的碎裂巖試樣；
[0036] 圖3 (c)為典型的碎裂巖試樣；
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