[发明专利]一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法

说明书

本发明公开了一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，本发明模型能够反映岩石结构面的剪切应力‑剪切位移关系；特别是对线弹性阶段、峰前软化阶段、峰后软化阶段和残余剪切应力阶段的描述更为合理。本发明所提出的模型参数可以用数学方法确定，具有明确的物理意义，精度和严谨性更胜拟合方法；通过与试验数据和与以往模型的比较，本文提出的模型能够准确地反映结构面剪切应力‑剪切位移曲线的变化趋势，对曲线的描述更为完备，体现了模型的优越性和适用性。

技术领域

本发明属于岩石结构面剪切本构模型的工程技术领域，涉及一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法。

背景技术

结构面是岩体中普遍存在的一种地质现象，它对地下洞室和边坡工程等岩体工程的稳定性和长期变形有着深刻的影响。如何评价结构面在复杂的荷载作用下的剪切力学行为，是岩体工程中几乎所有涉及隧道、边坡或地下开挖的主要设计中都必须考虑的基本问题。

以往对岩石结构面力学性能的研究多集中在强度特性和剪切变形特性方面。自Goodman、Taylor在剪切变形特性领域首次提出节点单元有限元建模方法以来，对加载与变形的关系(本构模型)已经进行了大量的研究(A model for the mechanics of jointedrock.Journal of Soil MechanicsFoundations Div)。目前建立了多种理论或经验剪切本构模型。基于直剪试验结果，Bandis等提出利用双曲函数拟合峰值前剪切变形(Fundamentals of rock joint deformation,International Journal of RockMechanicsMining SciencesGeomechanics Abstracts)。Desai和Fishman在塑性理论的框架下，提出了结构面本构模型的分层建模方法(Plasticity-based constitutive modelwith associated testing for joints,International Journal of Rock MechanicsMining SciencesGeomechanics Abstracts)。Saeb将Goodman模扩展到描述整个过程中的结构面剪切变形研究，并利用分段线性函数描述峰值前后的应力-位移关系(Modelling ofrock joints under shear and normal loading,International Journal ofRockMechanicsMining SciencesGeomechanics Abstracts)。上述研究主要集中在对峰前或峰后变形的描述上，忽略了结构面剪切变形是非线性的这一事实。将剪切应力-位移的非线性关系考虑在内，Rieker等用指数函数描述本构关系，建立了CSDS模型(Analysis offault-slip mechanisms in hard rock mining,Journal of Biomechanics)。Li等提出了一种考虑波浪分量和非均匀分量变化的结构面剪切本构模型(Aconstitutive model fora laboratory rock joint with multi-scale asperity degradation,ComputersGeotechnics)。

这些研究成果为全面描述岩体结构面的剪切应力-剪切位移关系奠定了基础。但这些建立的本构模型仍存在一些不足，如表达式复杂，参数众多且没有明确物理意义等。大部分模型的理论结果与峰后试验数据的一致性较差，这大大降低了模型的适用性。

发明内容

针对于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法。

本发明这种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，包括以下步骤：

S1、由损伤统计理论，基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分布，推导出岩石结构面损伤变量D的表达式，该表达式中含有模型参数a和b；