[发明专利]一种深部硬岩损伤演化本构模型建立方法

权利要求书

1.一种深部硬岩损伤演化本构模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型；

步骤2：基于步骤1中构建的考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型，引入反映应力跌落速率的修正系数，构建考虑应力跌落速率与应力跌落幅度的损伤本构模型；

步骤3：基于考虑应力跌落速率与应力跌落幅度的损伤本构模型，推导损伤本构模型参数的理论公式；

步骤4：进行深部岩石力学试验，通过试验数据及步骤3中理论公式对构建的考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型进行验证；

步骤1中所述构建考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型，具体为：

将受轴向荷载作用的岩石微元划分为未损伤微元及损伤微元，两个微元共同承受轴向应力，假设岩石微元破坏后，损伤微元的承载力下降为残余应力σ_r，未损伤微元服从广义胡克定律：

式中为未损伤微元分别在3个不同方向上的有效应力，为未损伤微元在轴向方向上的有效应变，E为未损伤微元的弹性模量，μ为未损伤微元的泊松比；

假设在轴向方向上的微元总面积为A，其名义轴向应力和名义轴向应变分别为σ₁和ε₁；其中未损伤微元的面积为A₁，有效轴向应力和有效轴向应变分别为和损伤微元的面积为A₂，轴向应力为残余应力σ_r，轴向方向的变形为ε_r；根据未损伤微元及损伤微元共同承受轴向应力得：

A＝A₁+A₂ (3)

将轴向方向损伤微元的面积与微元总面积的比值定义为损伤变量D：

根据公式(2)-(4)得：

未损伤微元与损伤微元相互混杂，基于变形协调原理得：

未损伤微元承载侧向上的全部应力，即：

将公式(6)-(8)带入公式(1)中，得到：

将公式(9)带入公式(5)中，得到考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型为：

σ₁＝Eε₁(1-D)+ND+μ(σ₂+σ₃) (10)

式中，

N＝σ_r-μ(σ₂+σ₃) (11)

步骤2中所述构建考虑应力跌落速率与应力跌落幅度的损伤本构模型，具体为：

在考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型中引入修正系数K，

式中，

K₀＝(1-η)ⁿ (13)

式中η为反映应力跌落速率的脆性指标，n为反映岩石密实程度的拟合参数，

式中l为应力跌落速率，

通过修正系数K对公式(10)进行修正，得到如下模型：

σ₁＝KEε₁(1-D)+ND+μ(σ₂+σ₃) (16)

设岩石破坏的概率密度函数服从Weibull分布，则损伤变量D表示为：

式中F为岩石微元强度随机分布变量，P(F)为概率密度函数，m和F₀均为Weibull分布参数，根据公式(16)和公式(17)，得到考虑应力跌落速率与应力跌落幅度的损伤本构模型为：

引入Drucker-Prager准则，衡量岩石微元强度：

式中，为有效应力张量的第一不变量，为有效应力偏量的第二不变量，表达式为：

将公式(7)-(9)带入公式(19)中，得到：

F＝PEε₁+Yσ₃ (22)

式中，

步骤3中所述基于考虑应力跌落速率与应力跌落幅度的损伤本构模型，推导损伤本构模型参数的理论公式，具体为：

基于岩石的全应力-应变曲线的几何特征，获得以下边界条件：

对公式(16)求偏微分，得到：

根据公式(25)及(26)得到：

式中D_p为峰值处的损伤变量，通过公式(16)确定，

对公式(17)及公式(22)求偏微分，得到：

对公式(17)进行变化，得到：

将公式(29)-(31)带入公式(27)中，得到：

式中F_p为峰值处的岩石微元强度，通过公式(22)确定，为：

F_p＝PEε_p+Yσ₃ (33)

将D_p与F_p带入公式(31)，得到：

2.根据权利要求1所述的深部硬岩损伤演化本构模型建立方法，其特征在于，步骤4中所述进行深部岩石力学试验，通过试验数据及步骤3中理论公式对构建的考虑残余应力特征的深部岩石损伤本构模型进行验证，具体为：

进行深部硬岩力学试验，得到试验数据及试验曲线，根据试验数据及步骤3中理论公式计算不同围压条件下的参数值，根据参数值得到损伤本构模型理论曲线，将其与试验曲线进行对比分析，验证损伤本构模型的合理性，并对计算所得的参数值进行分析。