[发明专利]考虑尺寸效应的岩石结构面损伤统计本构模型的构建方法

权利要求书

1.一种考虑尺寸效应的岩石结构面损伤统计本构模型的构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、将结构面简化为具有有限小厚度的等效薄层，该薄层包括能够反应材料各项属性的N个细观微元体，剪切过程中微元体受损，损伤细观微元体的数目记为N_f，

则损伤变量

S2、基于岩石材料强度统计分布规律，得到细观微元体的破坏概率密度函数；

S3、基于岩石材料的残余强度，分析经典结构面剪切应力-位移曲线，确立损伤起始阶段，通过已损伤细观微元体和未损伤细观微元体的组合模拟结构面受荷情况，得到剪切作用下结构面的统计损伤演化模型；

S4、根据剪切过程中受力平衡，确立名义剪应力τ、未损伤微元体承担的有效剪切应力τ_i、损伤微元体承担的剪切应力τ_r之间的关系，结合损伤变量D和统计损伤演化模型得到结构面剪切损伤统计本构模型；

S5、确定结构面剪切变形损伤本构模型的参数m和u₀，再基于参数与尺寸之间的非线性关系，建立一个考虑尺寸效应的结构面剪切损伤统计本构模型；

S6、将若干结构面剪切试验数据代入考虑尺寸效应的结构面剪切损伤统计本构模型中，验证该模型能够准确地模拟不同尺寸下的结构面剪切全变形过程，并能反映剪切过程的阶段性特点。

2.如权利要求1所述的考虑尺寸效应的岩石结构面损伤统计本构模型的构建方法，其特征在于，在所述S2中，岩石材料强度具有统计分布的规律且可以用Weibull分布描述，即细观微元体的剪切强度服从Weibull分布，其破坏概率密度函数为：

其中，F为细观微元体剪切强度，F₀、m为Weibull分布参数。

3.如权利要求1所述的考虑尺寸效应的岩石结构面损伤统计本构模型的构建方法，其特征在于，在所述S3中，构建统计损伤演化模型的具体步骤为：

S3.1、确立损伤起始阶段，分析典型结构面剪切应力-位移曲线，该曲线包括峰前线性段、应变硬化阶段、应变软化阶段和残余阶段，峰前线性段和应变硬化阶段的交接点为屈服点，峰前线性段中剪切应力-位移曲线呈现线性或近似线性变化，即损伤暂时未发生，在应变硬化阶段剪切应力与位移关系已经明显偏离直线，表明该阶段岩石材料已发生损伤，则损伤起点定义在屈服点；

衡量一个细观微元体是否进入损伤状态的阈值是该点所受应力与屈服应力之差，即F＝k_su-τ_s，又因为屈服点是线性阶段与应变硬化阶段的分界点，即τ_s可以表示为τ_s＝k_su_s，同理参数F₀也可以表示为F₀＝k_su₀，故破坏概率密度函数可变为：

τ为剪切应力，u为位移；

S3.2、则损伤自剪切位移到达u_s之后发生，则在剪切位移从u_s变化到u区间内发生损伤的微元体数目N_f为：代入有：

即为结构面剪切变形过程的统计损伤演化方程；

其中τ_s、τ_f、τ_r分别为屈服强度、峰值强度与残余强度，u_s、u_f分别为屈服剪切位移与峰值剪切位移，k_s为剪切刚度。