【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及巖土材料力學(xué)，尤其是涉及一種基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法及運行方法。
技術(shù)介紹
1、巖土材料作為一種物質(zhì)組成多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料，其宏觀層次上復(fù)雜的力學(xué)特性是其細(xì)觀結(jié)構(gòu)乃至微觀組成的反映。細(xì)觀力學(xué)方法可以同時考慮連續(xù)材料的宏觀均質(zhì)性和細(xì)、微觀非均質(zhì)性，以“均勻化”為基本概念，合理建立宏觀和細(xì)、微觀力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系。該方法不僅可以有效地給出巖土材料等復(fù)合材料的宏觀性能，而且可以在細(xì)、微觀尺度上描述相應(yīng)物理場的局部振蕩。本方法基于巖土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀物質(zhì)組成，采用均勻化理論，建立了宏觀-細(xì)觀-微觀跨尺度本構(gòu)模型。
2、沈珠江、劉恩龍基于巖土破損力學(xué)理論框架提出，巖土材料可視為含有兩相細(xì)觀物質(zhì)的非均質(zhì)材料，每種細(xì)觀物質(zhì)都具有各自的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而材料的宏觀力學(xué)性能通過兩相物質(zhì)的各自力學(xué)行為以及共同受力變形的特性來反映（二元介質(zhì)模型）。在該本構(gòu)模型中，巖土材料被假定為由具有粘聚力的膠結(jié)單元和無結(jié)構(gòu)性的摩擦單元組成，兩類材料分別依靠膠結(jié)作用和摩擦效應(yīng)來抵抗外界荷載。在外荷載作用下，膠結(jié)單元在達(dá)到其自身抗剪強度時會發(fā)生破裂并轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ羻卧S后以摩擦單元的力學(xué)特性繼續(xù)承受外荷載并發(fā)生變形，而該材料的宏觀受力變形特征通過兩者共同作用來反映。其中，為建立宏觀和細(xì)觀參數(shù)之間的聯(lián)系，引入破碎率來表征粘土礦物破壞并向摩擦組分轉(zhuǎn)化的程度，引入應(yīng)變集中系數(shù)來反映局部應(yīng)變和宏觀應(yīng)變之間的關(guān)系。該方法基于巖土材料的力學(xué)特性，較好的表現(xiàn)了宏觀體的力學(xué)特性，但其中膠結(jié)單元和摩擦單元均為假設(shè)項，且相應(yīng)力學(xué)特性主
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決當(dāng)前存在技術(shù)問題，本專利技術(shù)的主要目的在于提供了一種基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理及二元介質(zhì)模型理論，在描述巖土材料為二元細(xì)觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮微觀膠結(jié)材料和摩擦材料的物質(zhì)組成和作用機理，并基于材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)各異性以及微觀組成相似性，分別應(yīng)用m-t方法和非線性均勻化方法，構(gòu)建出能反映巖土材料細(xì)觀組分變化的跨尺度本構(gòu)模型，更好的預(yù)測巖樣的宏觀力學(xué)行為，及巖樣應(yīng)變硬化-體積收縮和峰后應(yīng)變軟化-體積膨脹的特性。
2、本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：一種基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：
3、s1、考慮巖土材料為具有細(xì)觀結(jié)構(gòu)及不同微觀組分的非均質(zhì)復(fù)合材料；
4、s2、基于巖土材料微觀組分建立巖土材料細(xì)觀膠結(jié)單元的線彈性本構(gòu)關(guān)系；
5、s3、基于巖土材料微觀組分建立巖土材料細(xì)觀摩擦單元的彈塑性本構(gòu)關(guān)系；
6、s4、引入表征細(xì)觀膠結(jié)單元向摩擦單元破碎轉(zhuǎn)化程度的破損率，構(gòu)建細(xì)觀膠結(jié)單元及摩擦單元對宏觀巖土材料力學(xué)行為的影響關(guān)系；
7、s5、構(gòu)建細(xì)觀彈性膠結(jié)單元在應(yīng)力條件下破碎向摩擦單元轉(zhuǎn)化的關(guān)系；
8、s6、構(gòu)建細(xì)觀局部項和細(xì)觀平均項的力學(xué)關(guān)系，從而構(gòu)建出宏細(xì)微觀跨尺度本構(gòu)模型。
9、本專利技術(shù)有如下有益效果：
10、1、本專利技術(shù)的本構(gòu)模型基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理，對原有的宏-細(xì)觀二元介質(zhì)模型進(jìn)行了擴(kuò)展研究，其在描述巖土材料為二元細(xì)觀結(jié)構(gòu)，即膠結(jié)單元和摩擦單元的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了微觀膠結(jié)材料和摩擦材料的物質(zhì)組成和作用機理，并基于材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)各異性以及微觀組成相似性，分別應(yīng)用m-t（mori-tanaka）方法和非線性均勻化方法，求解了用巖土材料微觀組分和礦物物性參數(shù)表述的膠結(jié)單元和摩擦單元的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。
11、2、本專利技術(shù)基于建立的微觀-細(xì)觀以及細(xì)觀-宏觀尺度下各組分關(guān)鍵力學(xué)特征的合理聯(lián)系，構(gòu)建出微觀到細(xì)觀再到宏觀的跨尺度本構(gòu)模型。新提出的跨尺度本構(gòu)模型反映了巖樣中不同礦物成分和孔隙率以及外部加載條件，如圍壓，對其宏觀力學(xué)性能的影響。此外，與試驗結(jié)果相比，該模型能夠很好地預(yù)測巖樣的變形模量和靜強度，同時較好地捕捉了巖樣樣應(yīng)變硬化-體積收縮以及峰后應(yīng)變軟化-體積膨脹的特性。
12、3、本專利技術(shù)本構(gòu)模型合理利用了巖樣中礦物組成、孔隙率以及礦物晶體力學(xué)性質(zhì)等固有物理參數(shù)，在有效獲取巖樣宏觀力學(xué)性能的前提下，模型參數(shù)數(shù)目大幅減少。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S1中，將巖土材料視為具有膠結(jié)單元和摩擦單元的細(xì)觀物質(zhì)，含膠結(jié)特性的膠結(jié)單元是彈性的，由摩擦提供抗剪強度的摩擦單元是彈塑性的，其中膠結(jié)單元由黏土基質(zhì)、固體顆粒和孔隙組成，摩擦單元由孔隙、固體顆粒以及破損黏土顆粒構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S2中，考慮膠結(jié)單元中各組分的微觀力學(xué)特性，利用均勻化理論推導(dǎo)，用各組分的微觀力學(xué)參數(shù)表示膠結(jié)單元的本構(gòu)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，利用均勻化理論推導(dǎo)，用各組分的微觀力學(xué)參數(shù)表示膠結(jié)單元的本構(gòu)關(guān)系的步驟如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S3中，細(xì)觀摩擦單元由固體相和孔隙組成，固體相包括破損黏土顆粒和碎屑礦物，采用基于修正割線模量法的非線性均勻化方法來獲得摩
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，巖土材料細(xì)觀摩擦單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S4中，由于破損率為表征膠結(jié)單元破裂程度的內(nèi)變量，其演化形式被假定為與細(xì)觀膠結(jié)單元的強度分布相關(guān)；對于宏觀代表性單元體，細(xì)觀單元中的微觀礦物和孔隙呈一定函數(shù)分布，膠結(jié)單元強度也隨單元體空間坐標(biāo)的變化而發(fā)生變化，設(shè)定細(xì)觀均質(zhì)膠結(jié)單元的強度分布服從韋布爾分布，構(gòu)建細(xì)觀膠結(jié)單元及摩擦單元對宏觀巖土材料力學(xué)行為的影響關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，宏觀代表性單元體的應(yīng)力應(yīng)變增量關(guān)系為：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S5中，構(gòu)建細(xì)觀彈性膠結(jié)單元在應(yīng)力條件下破碎向摩擦單元轉(zhuǎn)化的關(guān)系包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在S6中，細(xì)觀局部項和細(xì)觀平均項的力學(xué)關(guān)系為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在s1中，將巖土材料視為具有膠結(jié)單元和摩擦單元的細(xì)觀物質(zhì)，含膠結(jié)特性的膠結(jié)單元是彈性的，由摩擦提供抗剪強度的摩擦單元是彈塑性的，其中膠結(jié)單元由黏土基質(zhì)、固體顆粒和孔隙組成，摩擦單元由孔隙、固體顆粒以及破損黏土顆粒構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在s2中，考慮膠結(jié)單元中各組分的微觀力學(xué)特性，利用均勻化理論推導(dǎo)，用各組分的微觀力學(xué)參數(shù)表示膠結(jié)單元的本構(gòu)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，利用均勻化理論推導(dǎo)，用各組分的微觀力學(xué)參數(shù)表示膠結(jié)單元的本構(gòu)關(guān)系的步驟如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀力學(xué)的巖土材料跨尺度本構(gòu)模型構(gòu)建方法，其特征在于，在s3中，細(xì)觀摩擦單元由固體相和孔隙組成，固體相包括破損黏土顆粒和碎屑礦物，采用基于修正割線模量法的非線性均勻化方法來獲得摩擦單元的彈塑性力學(xué)行為，固體相的彈性性質(zhì)采用m-t方法求得，利用maghous的含孔隙摩擦巖土材料的強度準(zhǔn)則確定摩擦...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：余笛，劉恩龍，鞏朝，景茂貴，李楊，鄧聞楊，唐元遲，郭進(jìn)揚，韓陽，
申請(專利權(quán))人：中國三峽建工集團(tuán)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。