【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及巖土工程，具體來說，特別涉及基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法及系統。
技術介紹
1、軟巖常見于地下工程中，這類巖體流變特性明顯，蠕變變形量較大，是導致深埋軟巖隧道在運營過程發生大變形破壞的主要原因。在恒定荷載作用下，軟巖的蠕變過程可分為初始蠕變、穩定蠕變和加速蠕變三個階段(如圖2所示)。因此，軟巖蠕變本構是分析擠壓大變形隧道圍巖-支護相互作用的基礎，研究其本構模型具有重要的工程意義。
2、目前，國內外學者基于連續介質力學理論提出了較為完善的軟巖蠕變本構，并對實際工程流變巖體隧道圍巖-支護相互作用的時間效應進行了分析。實際上，軟巖蠕變發展過程存在著材料由連續體轉為不連續體，由連續問題轉化為不連續問題。然而，基于連續介質力學理論構建的有限元法和有限差分法，其微分形式的運動方程在求解不連續問題時存在奇異性。
3、為了克服傳統方法在不連續破壞過程模擬的局限性，學者們開發了一些先進的數值方法，如擴展有限元法(xfem)、非連續變形分析法(dda)、數值流形法(nmm)和光滑粒子動力學(sph)等，并逐步應用于巖土工程破壞模擬。盡管上述方法已被成功應用于軟巖隧道大變形機理研究，但這些數值結果往往受初始網格及塊體劃分和顆粒離散形式的影響，且常需要繁瑣的校準程序來確定計算參數，因此難以有效模擬圍巖裂損多尺度演化過程。
4、為了更有效解決上述問題，提出了基于非局部思想的近場動力學理論(peridynamics，以下簡稱pd)，該理論基于積分形式的運動方程，且對非局部作用域的尺寸無特殊要
5、針對相關技術中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提供基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法及系統，以解決上述提及的問題。
2、為了解決上述問題，本專利技術采用的具體技術方案如下：
3、根據本專利技術的一方面，提供了基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，該基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法包括以下步驟：
4、s1、利用現場原位技術獲取軟巖試樣，并通過對軟巖試樣進行室內三軸蠕變試驗，得到室內三軸蠕變試驗結果；
5、s2、根據融合近場動力學損傷指數的馬克斯威爾牛頓黏壺，構建牛頓黏壺的本構方程；并結合等效損傷應力原理優化伯格斯蠕變模型，得到優化后的伯格斯蠕變模型，根據優化后的伯格斯蠕變模型建立軟巖非線性蠕變本構模型；
6、s3、將室內三軸蠕變試驗結果輸入至軟巖非線性蠕變本構模型中，通過軟巖非線性蠕變本構模型對室內三軸蠕變試驗結果進行計算分析，得到軟巖的蠕變特征。
7、優選的，所述利用現場原位技術獲取軟巖試樣，并通過對軟巖試樣進行室內三軸蠕變試驗，得到室內三軸蠕變試驗結果包括以下步驟：
8、s?11、通過無水工程鉆機對軟巖試樣進行取樣，并采用保鮮膜對軟巖試樣進行包裹處理，將包裹后軟巖試樣的放置于恒溫箱內；
9、s?1?2、通過載荷控制加載方式對軟巖試樣進行單軸抗壓強度試驗，并根據單軸抗壓強度試驗結果確定軟巖試樣的軸向荷載分級加載工況，得到室內三軸蠕變試驗軸向荷載；
10、s13、采用孔底應力解除法對取樣區域地應力進行測量，確定取樣區域的最大主應力和最小主應力；并根據最大主應力和最小主應力確定圍壓的上下限值，根據圍壓的上下限值對軟巖試樣進行堆積圍壓試驗，得到室內三軸蠕變試驗圍壓；
11、s?1?4、通過載荷控制加載方式，并按照不同的加載速度對軟巖試樣施加軸壓試驗，直至軟巖試樣發生破壞，得到室內三軸蠕變試驗軸向荷載控制速率；
12、s15、根據室內三軸蠕變試驗軸向荷載、室內三軸蠕變試驗圍壓及室內三軸蠕變試驗軸向荷載控制速率分別建立軸向蠕變曲線、破壞特征及應力-應變曲線。
13、優選的，所述采用孔底應力解除法對取樣區域地應力進行測量，確定取樣區域的最大主應力和最小主應力包括以下步驟：
14、s131、根據預先設定的測量鉆孔深度，通過鉆頭在取樣區域內進行鉆孔，并在鉆孔底部黏貼應變花并讀取初始應變數據；
15、s?1?32、采用與鉆頭直徑相同的套鉆對鉆孔的底部進行深度延伸，并在鉆孔周圍應力場解除后，獲取鉆孔底部新的應變數據；
16、s133、根據初始應變數據和新的應變數據，計算地應力值并判斷主應力方向，并確定取樣區域的最大主應力和最小主應力。
17、優選的，所述基于近場動力學理論和牛頓黏壺理論優化伯格斯蠕變模型，根據優化后的伯格斯蠕變模型建立軟巖非線性蠕變本構模型；并將室內三軸蠕變試驗結果輸入至軟巖非線性蠕變本構模型中，通過軟巖非線性蠕變本構模型計算得到軟巖的三階段蠕變特征包括以下步驟：
18、s2?1、根據近場動力學理論，并結合隨機損傷指數，在馬克斯威爾牛頓黏壺中引入非線性損傷機制，得到牛頓黏壺的本構方程；
19、s22、基于等效損傷應力原理，通過近場動力學理論中的局部損傷指標建立牛頓黏壺應變表達式，并根據牛頓黏壺應變表達式優化伯格斯蠕變模型，得到優化后的伯格斯蠕變模型；
20、s23、建立近場動力學和連續介質理論應變密度能相等的關系，得到微觀彈性模量關于蠕變柔度的表達式，并通過優化后的伯格斯蠕變模型構建蠕變柔度表達式；
21、s24、根據原型微彈脆性材料的構力函數，并結合微觀彈性模量關于蠕變柔度的表達式及蠕變柔度表達式，建立軟巖非線性蠕變本構模型。
22、優選的，所述基于等效損傷應力原理，通過近場動力學理論中的局部損傷指標建立牛頓黏壺應變表達式，并根據牛頓黏壺應變表達式優化伯格斯蠕變模型，得到優化后的伯格斯蠕變模型包括以下步驟：
23、s221、采用等效損傷應力原理，將損傷變量與等效應力建立關系，并通過損傷變量描述材料的損傷累積效應，得到考慮損傷程度的牛頓黏壺應變表達式；
24、s222、利用近場動力學理論中的局部損傷指標表征材料的損傷程度，得到考慮局部損傷指標的牛頓黏壺應變表達式；
25、s223、將考慮局部損傷指標的牛頓黏壺應變表達式替換伯格斯蠕變模型中的牛頓黏壺部分，得到優化后的伯格斯蠕變模型。
26、優選的，所述考慮局部損傷指標的牛頓黏壺應變表達式為：
27、
28、式中，ε1(t)表示考慮局部損傷指標的牛頓黏壺應變；
29、σ0表示常應力；
30、表示局部損傷指標；
31、ηm表示馬克斯威爾模型中牛頓體黏滯系數；
32、t表示時間。
33、優選的，所述優化后的伯格斯蠕變模型表達式為：
34、
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1.基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，該基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述利用現場原位技術獲取軟巖試樣，并通過對軟巖試樣進行室內三軸蠕變試驗，得到室內三軸蠕變試驗結果包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述采用孔底應力解除法對取樣區域地應力進行測量，確定取樣區域的最大主應力和最小主應力包括以下步驟：
4.根據權利要求1所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述根據融合近場動力學損傷指數的馬克斯威爾牛頓黏壺，構建牛頓黏壺的本構方程；并結合等效損傷應力原理優化伯格斯蠕變模型，得到優化后的伯格斯蠕變模型，根據優化后的伯格斯蠕變模型建立軟巖非線性蠕變本構模型包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述基于等效損傷應力原理，通過近場動力學理論中的局部損傷指標建立牛頓
6.根據權利要求5所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述考慮局部損傷指標的牛頓黏壺應變表達式為：
7.根據權利要求5所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述優化后的伯格斯蠕變模型表達式為：
8.根據權利要求5所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述通過優化后的伯格斯蠕變模型構建蠕變柔度表達式為：
9.根據權利要求5所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述軟巖非線性蠕變本構模型的力函數表達式為：
10.基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析系統，用于實現權利要求1-9中任一項所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，該基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析系統包括：蠕變試驗結果獲取模塊、模型優化模塊及蠕變特征分析模塊；
...【技術特征摘要】
1.基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，該基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述利用現場原位技術獲取軟巖試樣，并通過對軟巖試樣進行室內三軸蠕變試驗，得到室內三軸蠕變試驗結果包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述采用孔底應力解除法對取樣區域地應力進行測量，確定取樣區域的最大主應力和最小主應力包括以下步驟：
4.根據權利要求1所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述根據融合近場動力學損傷指數的馬克斯威爾牛頓黏壺，構建牛頓黏壺的本構方程；并結合等效損傷應力原理優化伯格斯蠕變模型，得到優化后的伯格斯蠕變模型，根據優化后的伯格斯蠕變模型建立軟巖非線性蠕變本構模型包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的基于軟巖非線性蠕變本構模型的蠕變特征分析方法，其特征在于，所述基于等效損傷應力原理，通過近場...
【專利技術屬性】
技術研發人員：豐土根，王海波，張箭，張宏偉，鄭彬，陳麗雯，杜昕，薛新凱，董冰巖，鄧通，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：
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