[发明专利]平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法

权利要求书

1.一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法包括以下步骤：

1)采用应变能密度准则判断裂隙扩展，即认为当非贯通裂隙尖端翼裂纹应变能密度S大于最小应变能密度S_c时，尖端翼裂纹开始扩展；当S≤S_c时，非贯通裂隙未发生扩展，非贯通裂隙未发生扩展则进入步骤2)；

2)计算裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量：

同时考虑内因即岩石试件及裂隙条件、和外因即外力对岩体损伤张量的影响，来计算岩体损伤变量；

根据断裂力学，对于平面问题，弹性体因裂隙存在而引起的附加应变能增加量U₁为式(1)：

式中：G为能量释放率；K_Ⅰ、K_Ⅱ分别为裂隙尖端的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子；A为裂隙表面积；在平面应力状态下E′＝E；在平面应变状态下E′＝E/(1-ν²)，其中，E、υ分别为弹性模量及泊松比；

非贯通裂隙岩体在平面压剪应力状态下，其损伤应变能释放率Y为式(2)：

其中：σ_m、σ_eq分别为静水压力和等效应力；由于为平面问题，因此σ_x、σ_y和τ_xy分别为x、y方向上的正应力及xy平面内的剪应力；D为裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量；

若U^E表示试件的单位体积弹性应变能，那么在平面应力状态下其可表示为：

U^E＝-(1-D)Y (3)

把式(2)代入式(3)可得式(4)：

当岩体内不含裂隙时，则D＝0，此时式(4)变为式(5)：

因裂隙存在而引起的单位体积弹性应变能改变量为式(6)：

假设研究对象的体积为V，弹性体因裂隙存在而引起的弹性应变能改变量为式(7)：

式(7)中的△U和式(1)中的U₁都是由裂隙存在而引起的弹性应变能改变量，二者应相等，即：

ΔU＝U₁ (8)

进而得出裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量的表达式为式(10)，

其中K_Ⅰ、K_Ⅱ为与裂隙长度、裂隙内摩擦角、裂隙粘聚力、裂隙法向及切向刚度相关的应力强度因子；

3)将各种受力情形下的非贯通裂隙尖端的相应应力强度因子，代入式(10)即可得到非贯通裂隙导致的岩体在垂直方向上的损伤变量，进而通过张量化即可得到相应的损伤张量；完成平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的建立。

2.根据权利要求1所述的平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，其特征在于所述步骤3)中受力情形包括单条非贯通裂隙、单排或多排非贯通平行裂隙；当单条非贯通裂隙情形时，应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ用式(15)表示：

其中，τ_eff为滑移驱动力；α为裂隙倾角；l^*＝0.27a，a为裂隙半长；

当单排非贯通平行裂隙情形时，应力强度因子用式(16)表示：

其中，φ为非贯通裂隙的连通率，φ＝2a/b，b为相邻裂隙的中心间距；

当多排非贯通平行裂隙情形时，应力强度因子用式(17)表示：

其中，d为相邻排间距；f(a,b,d)为裂隙相互影响系数。