[发明专利]一种采用残余强度构建损伤岩石本构关系的方法

说明书

技术领域

本发明涉及构建损伤岩石本构关系的方法，特别是涉及一种采用残余强度构建损伤岩石本构关系的方法。

背景技术

本构关系是表征材料力学性质的数学关系。为了预测物体在荷载的作用下的力学响应，必须先确定物体的组成材料符合的本构关系。本构关系是研究材料力学性能的理论基础。

岩石是一种含原始损伤和缺陷的非匀质材料，岩石的宏观破坏现象可以看作是许多微细观破坏的平均效用的叠加。

现有的技术方案中关于构建岩石损伤本构关系主要有两方面途径。一方面是以试验为基础，假设在荷载作用下岩石损伤变量和应力-应变服从某种特定的关系模式，然后用该模型来模拟岩石试验得到的实测全应力-应变关系曲线，求其参数。实际岩石损伤不仅受到岩石内部随机分布的缺陷支配，还受到岩石内部应力应变状态控制，因而此类本构关系存在一定的局限性。另一方面是从岩石微元强度服从随机分布的特点出发，推导损伤变量与应力应变状态关系，从而建立岩石统计损伤本构关系，并用它来模拟实验结果，但在研究中假定微元破坏符合Drucker-Prager准则时，因结果偏为保守而缺乏合理性；假定微元破坏符合Mohr-Coulomb准则时，因Mohr-Coulomb准则无法描述拉应力区、低应力区和高应力区的破坏强度，依此建立的本构关系亦有一定的局限性。E.Hoek等提出的Hoek-Brown经验强度准则(Hoek，E.，Carranza C.T.，Corkum，B..Hoek-Brown Failure Criterion2002Edition[C]//Proceedings of the North American Rock Mechanics SocietyMeeting.Toronto：[s.n.]，2002：267-273.)综合考虑多种因素影响，能较好的反映岩体的非线性破坏特征，弥补了Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则的不足，而且能解释低应力区、拉应力区及最小主应力对强度的影响，由于Hoek-Brown经验强度准则是岩土工程界一个较新理论，应用并不广泛。

另外，由于摩擦和围压的影响，岩石全应力-应变曲线中后期的岩样仍具有一定的残余强度，表现为黏聚力为零的纯摩擦，多数情况下，峰后残余强度试验值曲线近似为水平直线，而岩石微元破坏后仍继续传递部分压应力和剪应力的特征。岩石随着围压的增大，残余强度的增加幅度比峰值强度大，残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素，而现有技术方案中，均未采用考虑到的残余强度的影响，因此，无法建立与实际情况精准吻合的损伤岩石本构关系。

发明内容

鉴于已有技术方案的不足，本发明提出一种采用残余强度构建损伤岩石本构关系的方法，基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设，考虑岩石峰后残余强度对损伤变量的影响，在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下，建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构关系；然后，依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征，求解出本构关系参数的数学表达式。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种采用残余强度构建损伤岩石本构关系的方法，该方法包括了以下步骤：

(1)采用岩石室内三轴压缩试验，测取岩样的轴压σ₁、围压σ₃、峰值强度应变ε_1c、残余强度σ_r，计算岩石弹性模量E和泊松比μ，所述岩石弹性模量为：

E＝(σ₁-σ₃)₍₅₀₎/ε_h(50)

式中：(σ₁-σ₃)₍₅₀₎是实际主应力差的50％，单位为Pa；ε_h(50)是(σ₁-σ₃)₍₅₀₎对应的轴向压缩应变。

(2)根据三轴压缩试验结果进行数据回归，计算岩块的单轴抗压强度σ_ci，经验强度参数m_i，对完整岩块取经验强度参数时，取s＝1、α＝0.5、m_b＝m_i，则霍克-布朗(Hoek-Brown)准则变为：