[发明专利]一种新的软弱岩体流变本构模型的构建及参数识别方法

说明书

本发明提供一种新的软弱岩体流变本构模型的构建及参数的识别方法，包括以下步骤：将弹性体、粘性体、粘弹性体和黏塑性体进行串联，建立一种新的软弱岩体的流变本构模型；开展软弱岩体试样的压缩蠕变试验，获取试验数据，绘制流变试验曲线，基于试验数据及软弱岩体的变形破坏特征，并采用Levenberg‑Marquardt方法进行模型参数的识别。本发明可以描述现场软弱岩体的逐渐劣化弹性变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变全阶段变形特征，且可通过参数识别方法获取试验软弱岩体的蠕变参数，对于现场软弱岩体，且存在全阶段蠕变特征的工程软岩，该模型可更准确地描述其流变特征，基于该模型的软岩工程长期变形分析更加准确有效。

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，具体是一种适用于软弱岩体的流变本构模型的构建及参数识别方法。

背景技术

岩石的流变本构模型是用于描述岩石的应力-应变-时间之间关系的数学物理模型，是建立起岩石流变试验-理论-应用之间联系的媒介。最新的软弱岩体试样流变试验研究表明：软弱岩体的蠕变变形包含瞬时变形、衰减蠕变变形、稳定蠕变变形以及加速蠕变变形；应力水平低于某一应力阈值时，软弱岩体的蠕变先后包含有瞬时弹性变形、黏弹性变形和黏性流动变形，模型中应包含弹性元件和黏性元件；应力水平高于某一应力阈值后，软弱岩体的蠕变先后快速地经历瞬时弹性变形、黏弹性变形、黏性流动变形和黏塑性变形；且软弱岩体弹性模量受应力水平影响较为显著，应考虑弹性元件随加载发生的损伤劣化。而目前缺乏能准确描述现场软弱岩体以上全部特征的流变本构模型。有必要基于以上软弱岩体流变特征，构建新的流变本构模型及参数识别方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的软弱岩体流变本构模型的构建方法，该模型可以更准确地描述软弱岩体衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变全阶段特征，并且可以通过本发明的参数识别方法获取试验软弱岩体的蠕变参数，为矿井深部软弱工程岩体稳定性分析提供依据。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案为：一种软弱岩体流变本构模型的构建及参数识别方法，包括如下步骤：

1)建立蠕变本构模型：将弹性体、粘性体、粘弹性体和黏塑性体进行串联，弹性体为随加载发生损伤劣化的弹簧元件，粘性体为理想粘性体元件，粘弹性体为Abel黏壶元件，粘塑性体为NAVPB体；

考虑到软弱岩体弹性模量随着应力水平的增大，存在着较为显著的衰减，分析其为岩体损伤引起，所述弹簧元件的本构方程为：

式中：σ为应力，ε_e为弹性应变，E₀为初始弹性模量，α为损伤影响程度系数。

所述理想粘性体元件的本构方程为：

式中：η₁粘滞系数，t为试验加载时间，ε_v为粘性应变。

所述Abel黏壶的本构方程为：

式中：η₂为粘滞系数，β为阶数，ε_ve为粘弹性应变。

所述NAVNP体本构关系为：

式中：σ_s为应力阈值，η₃为粘性系数，t_F为加速蠕变启动时间点，ε_vp为粘塑性应变，算子H(t)有如下关系式：

所建立的流变本构模型的本构关系为：

2)确定模型参数：开展软弱岩体试样的单轴压缩蠕变试验，获取试验数据，绘制蠕变试验曲线，基于试验数据，进行模型参数的识别。