【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種力學(xué)模型的構(gòu)建方法，具體地說，涉及一種巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模型構(gòu)建方法。本專利技術(shù)屬于土木、水利和能源等大型工程巖石力學(xué)分析。
技術(shù)介紹
1、隨著人類對能源和資源需求的日益增加，深部地下空間的開發(fā)、能源資源的開采以及大型水利水電工程的建設(shè)將大規(guī)模推進(jìn)。在深部巖體開挖工程中，由于高地應(yīng)力的釋放，圍巖會發(fā)生不同程度的破損，形成開挖損傷區(qū)。在高地應(yīng)力的作用下，深部裂隙圍巖的時(shí)效變形逐漸累積，表現(xiàn)出明顯的流變特征。巖石作為一種率相關(guān)材料，其力學(xué)特性具有時(shí)效性。在外部荷載的作用下，巖石內(nèi)部的微裂紋會萌生、擴(kuò)展并聚合，最終導(dǎo)致材料發(fā)生非線性變形和破壞，整個(gè)過程受到微裂紋引起的損傷控制。
2、巖石變形破壞過程中，裂紋的擴(kuò)展和漸進(jìn)損傷的定性或定量描述一直是巖石力學(xué)研究的難點(diǎn)。目前，巖石損傷機(jī)理的研究成果主要假定巖石為各向同性，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要集中在瞬時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的量化分析上，缺乏對巖石時(shí)效損傷演化的定量描述。因此，基于深部圍巖變形破壞機(jī)制，選取合適的力學(xué)變量進(jìn)行表征，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述方程是研究圍巖損傷破壞的關(guān)鍵。
3、此外，工程圍巖處于不均勻的三維應(yīng)力狀態(tài)，中主應(yīng)力對巖石的力學(xué)響應(yīng)具有重要影響。試驗(yàn)過程中通過采用真三軸(三向應(yīng)力獨(dú)立)模擬工程圍巖真三維應(yīng)力狀態(tài)。因此，構(gòu)建巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模型，準(zhǔn)確表征和描述巖石時(shí)效損傷變形，是分析深部巖體開挖工程長期穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述原因，本專利技術(shù)的目的是提供一種巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：一種巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模塊構(gòu)建方法，它包括：
3、s1、采用黏塑性應(yīng)變表征巖石非線性流變行為，利用時(shí)效損傷因子描述巖石蠕變過程中的漸進(jìn)平衡運(yùn)動(dòng)過程；
4、s1.1、采用黏塑性應(yīng)變表征巖石非線性流變行為；
5、巖石脆性蠕變變形過程中的總應(yīng)變ε包括：彈性應(yīng)變εe、瞬時(shí)塑性應(yīng)變εip和黏塑性應(yīng)變εvp，即：
6、ε＝εe+εip+εvp(1)
7、其中，彈性應(yīng)變εe由胡克定律計(jì)算；瞬時(shí)塑性應(yīng)變εip通過塑性流動(dòng)法則計(jì)算；黏塑性應(yīng)變εvp根據(jù)perzyna’s應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算，其增量形式表示為：
8、
9、式中：表示黏塑性乘子增量，和為模型控制參數(shù)，t表示時(shí)間，t0等于1s用來保持量綱守恒，符號<>表示取正值，表示屈服函數(shù)，g表示勢函數(shù)，σ表示應(yīng)力張量；
10、根據(jù)公式(2)計(jì)算獲得黏塑性應(yīng)變的增量，然后，再通過疊加獲得黏塑性應(yīng)變，最后通過黏塑性應(yīng)變表征巖石非線性流變行為；
11、s1.2、利用時(shí)效損傷因子描述巖石蠕變過程中的漸進(jìn)平衡運(yùn)動(dòng)過程；
12、巖石蠕變過程的損傷為：
13、ω＝ωpd+ζ(t)(3)
14、式中：ω表示巖石蠕變過程中的損傷；ωpd表示非線性變形誘發(fā)的損傷，通過彈塑性損傷耦合一致性條件求解；ζ(t)表示巖石材料流變過程的漸進(jìn)平衡運(yùn)動(dòng)過程，用公式表示為：
15、
16、式中：表示穩(wěn)態(tài)時(shí)效損傷值，l表示時(shí)效因子參數(shù)，τ表示[0,t]時(shí)間參數(shù)；
17、s1.3、將巖石的黏塑性應(yīng)變和時(shí)效損傷疊加表征巖石的非線性流變行為；
18、s2、考慮裂紋方位角，采用損傷變量控制驅(qū)動(dòng)屈服面的膨脹與收縮，構(gòu)建巖石真三維屈服函數(shù)；
19、考慮裂紋方位角的巖石真三維屈服函數(shù)為：
20、
21、式中：σ1、σ2和σ3分別表示大主應(yīng)力、中主應(yīng)力和小主應(yīng)力，θ表示裂紋局部坐標(biāo)軸z′全局坐標(biāo)軸z之間的夾角，σc表示單軸強(qiáng)度，m為待定的模型參數(shù)；ω表示巖石蠕變過程的損傷，α(ω)為硬化/軟化函數(shù)；
22、s3、采用指數(shù)損傷演化準(zhǔn)則，系統(tǒng)地描述巖石的漸進(jìn)損傷劣化行為；
23、對巖石的剛度退化采用損傷來表征，巖石劣化行為采用指數(shù)損傷演化準(zhǔn)則表示：
24、
25、式中：參數(shù)ωc用來控制最大損傷程度，參數(shù)β用來控制損傷劣化速率，yd為損傷驅(qū)動(dòng)力，y0為損傷閾值，ω表示巖石蠕變過程中的損傷；
26、考慮到損傷與黏塑性之間存在相互增強(qiáng)的潛在機(jī)制，假定兩者同時(shí)發(fā)生，非線性變形誘發(fā)損傷增量表示為：
27、
28、式中：λpd表示損傷乘子，表示損傷乘子增量；
29、s4、構(gòu)建巖石真三軸時(shí)效損傷模型，采用顯式非線性數(shù)值積分算法，實(shí)現(xiàn)力學(xué)模型的數(shù)值求解，精確計(jì)算蠕變過程時(shí)效損傷因子演化；
30、s4.1、巖石真三維時(shí)效損傷力學(xué)模型增量表達(dá)形式；
31、對于任意巖石，整個(gè)蠕變過程的通用本構(gòu)關(guān)系表達(dá)為如下形式：
32、
33、式中：表示總應(yīng)變增量，應(yīng)力增量，時(shí)效損傷因子增量，表示四階彈塑性損傷剛度張量，ψ表示受時(shí)效損傷因子影響蠕變變形張量；
34、巖石整個(gè)蠕變變形破壞過程分為兩個(gè)階段：瞬時(shí)加載和蠕變變形階段，不同階段的應(yīng)變量計(jì)算滿足如下條件：
35、(1)瞬時(shí)加載階段已知條件為：dζ＝0,和瞬時(shí)階段的應(yīng)變量可表示成：
36、
37、式中：表示總應(yīng)變增量，σ表示應(yīng)力，應(yīng)力增量，表示四階彈塑性損傷剛度張量，表示瞬時(shí)塑性變形增量，表示瞬時(shí)非線性變形引起損傷增量，ω表示巖石蠕變過程中的損傷；
38、(2)蠕變階段已知條件為：蠕變階段的應(yīng)變量表示為：
39、
40、式中：表示總應(yīng)變增量，σ表示應(yīng)力，表示四階彈塑性損傷剛度張量，表示黏塑性應(yīng)變增量，表示時(shí)效變形和時(shí)效損傷因子引起的損傷增量；
41、s4.2、采用顯式非線性數(shù)值積分算法求解時(shí)效損傷因子演化數(shù)值。
42、優(yōu)選地，所述步驟s2考慮裂紋方位角，采用損傷變量控制驅(qū)動(dòng)屈服面的膨脹與收縮，構(gòu)建巖石真三維屈服函數(shù)的方法為：
43、s2.1、考慮巖石的裂紋方位角，構(gòu)建真三維hoek-brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，描述巖石在真三維應(yīng)力條件下的強(qiáng)度特性；
44、根據(jù)彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論，可獲得考慮裂紋方位角的真三維hoek-brown強(qiáng)度準(zhǔn)則其公式如下：
45、
46、式中：σ1、σ2和σ3分別表示大主應(yīng)力、中主應(yīng)力和小主應(yīng)力，θ表示裂紋局部坐標(biāo)軸z′全局坐標(biāo)軸z之間的夾角，σc表示單軸強(qiáng)度，m為待定的模型參數(shù)；
47、s2.2、采用損傷變量控制驅(qū)動(dòng)屈服面的膨脹與收縮，構(gòu)建巖石真三維屈服函數(shù)；
48、將巖石蠕變過程中的損傷ω引入到真三維hoek-brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中，求出考慮裂紋方位角的巖石真三維屈服函數(shù)
49、優(yōu)選地，所述步驟s2引入硬化/軟化函數(shù)α(ω)來控制屈服面的收縮和膨脹，反映巖石破壞的非線性力學(xué)行為，所述硬化/軟化本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模塊構(gòu)建方法，其特征在于：它包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模型構(gòu)建方法,其特征在于：所述步驟S2考慮裂紋方位角，采用損傷變量控制驅(qū)動(dòng)屈服面的膨脹與收縮，構(gòu)建巖石真三維屈服函數(shù)的方法為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模型構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟S2引入硬化/軟化函數(shù)α(ω)來控制屈服面的收縮和膨脹，反映巖石破壞的非線性力學(xué)行為，所述硬化/軟化函數(shù)α(ω)表示為：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模塊構(gòu)建方法，其特征在于：它包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石真三軸時(shí)效損傷力學(xué)模型構(gòu)建方法,其特征在于：所述步驟s2考慮裂紋方位角，采用損傷變量控制驅(qū)動(dòng)屈服面的膨脹與收縮，構(gòu)建巖石真三維...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃青富，張強(qiáng)，楊小龍，王蘇生，向天兵，王玉杰，王超，劉立鵬，劉曉芬，狄圣杰，陳念，姜龍，曹瑞瑯，
申請(專利權(quán))人：中國水利水電科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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