[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

说明书

本发明公开了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，先将结构面简化为等效薄层，根据薄层中损伤细观微元体的数目和细观微元体的总数确定损伤变量；其次得到细观单元体的破坏概率密度函数；然后确立合理的损伤起始阶段，模拟结构面受荷情况，得到剪切作用下结构面的统计损伤本构模型；接着根据剪切过程中受力平衡，确立名义剪应力、未损伤微元体承担的有效剪切应力、损伤微元体承担的剪切应力之间的关系，得到剪切变形过程结构面的损伤演化模型和结构面剪切变形损伤本构模型；再确定所述结构面剪切变形损伤本构模型参数m、usubgt;0/subgt;，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本构模型；最后验证正确性。

技术领域

本发明属于岩石结构面本构模型研究领域，具体涉及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。

背景技术

结构面的存在是岩体介质区别于其他介质的根源，更是影响岩体力学特性的重要因素。建立能准确模拟剪切变形破坏全过程的结构面剪切本构模型一直以来都是岩石力学研究的热点。自上世纪六十年代以来，许多学者对此展开了研究工作并建立了诸多结构面本构模型。具有代表性的包括：纯线弹性本构模型如Goodman模型、Saeb-Amadei模型；非线性模型如Barton-Bandis模型、Grasselli模型、CSDS模型；弹塑性增量型模型如基于非关联流动法则的弹塑性本构模型Plesha模型、可反映各向异性的Wang模型、基于损伤理论建立的DSC模型。上述模型有助于深化结构面变形与强度认识，在边坡、隧道等岩体工程的结构分析与数值模拟中发挥重要作用，但由于岩体结构面的复杂性，现有本构模型仍需不断改进。

长期以来，人们认识到岩石结构面的力学行为与尺度有关，但其影响程度有待研究。大量试验结果表明，结构面力学性质随尺寸的变化而变化，即结构面剪切力学行为存在尺寸效应。自Pratt HR在天然结构面的直剪试验中首次发现尺寸效应现象以来，对岩体结构面剪切力学行为尺寸效应的理论、试验、模拟等方面均已取得一些成果：Barton与Choubey根据八种不同岩石的136组结构面直剪试验结果，指出抗剪强度尺寸效应与JRC的尺寸效应有着紧密联系；杜时贵根据11064条表面轮廓曲线粗糙度系数(JRC)的统计规律，建立了粗糙度系数(JRC)尺寸效应分形模型；Ueng根据系列尺寸75mm～300mm，JRC＝4～6与18～20的标准模型结构面试样直剪试验发现尺寸效应与结构面表面形态密切相关；M.Bahaaddini利用PFC2D研究了结构面剪切行为与尺寸的关系。这些研究成果促进了对结构面剪切尺寸效应的认识，然而，由于岩石材料复杂的力学行为，尺寸效应的机制与表现形式仍未得到充分阐述，纵观现有的剪切本构模型，鲜有综合考虑尺寸效应、峰后损伤软化特性的模型。如何正确全面地反映各个尺寸下岩体结构面的剪切行为，建立考虑结构面尺寸效应的剪切本构模型仍有待探究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种考虑尺寸效应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。

本发明提供的这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，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；