[发明专利]岩体二维细观时效破裂幂函数型模型方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程岩体细观时效破裂分析技术领域，具体地指一种岩体二维细观时效破裂幂函数型模型方法。

背景技术

深部岩体工程开挖后的失稳与破坏往往不是在开挖后立刻发生的，一般都存在着明显的变形破裂时效性和灾变(岩爆、大变形等)的滞后性，严重危害工程的施工安全与长期运营。目前，在细观方面的时效力学研究成果相对较少。《深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟》一文对锦屏大理岩破裂的时间效应进行了试验和二维数值分析(岩石力学与工程学报，2011，Vol.30No.10:1989-1996)；《锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究》一文应用二维蠕变细观力学模型对锦屏大理岩短期和长期强度特征进行了数值研究(岩土力学，2013，Vol.34No.12:3601-3608)。这类模型是以指数型构建驱动应力和裂纹扩展速度间的关系，用来描述岩石细观层面上的时效破裂，适用于应力和裂纹扩展速度之间符合指数表达方式的这类岩体。另外，这类模型还存在如下不足之处：(1)颗粒间的剪切破裂准则是一条与平行粘结正应力平行的水平直线，也即这种剪切破裂准则与平行粘结正应力状态无关，只要平行粘结剪切应力大于或等于固定平行粘结剪切破裂强度，颗粒间即可发生剪切破裂，无法体现岩体中不同平行粘结正应力具有不同平行粘结剪切破裂强度的客观事实；(2)没有考虑粘结力矩的差异作用对接触破坏的影响，将粘结力矩的贡献度对不同岩性的影响均视为一致；(3)对于应力和裂纹扩展速度之间不合符指数表达方式的岩体，这类模型缺乏适应性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述缺陷，提出了一种岩体二维细观时效破裂幂函数型模型方法，本发明适应于应力和裂纹扩展速度之间的关系符合幂函数型的这类岩体，对于平面状态下这类深部岩体工程的围岩长期稳定性预测、评价以及优化设计提供技术支持。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：岩体二维细观时效破裂幂函数型模型方法，其特殊之处在于，所述幂函数型模型适应于二维颗粒离散元、二维颗粒不连续变形分析方法、二维颗粒流形元；所述幂函数型模型包括基于弯矩贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力二维模式、基于弯矩贡献因子的岩体细观颗粒粘结时效劣化衰减的二维幂函数型模式、基于弯矩贡献效应且带拉伸截止限的摩尔-库伦细观颗粒粘结时效破裂准则以及基于阻尼效应的细观颗粒线性接触二维模型。

进一步地，所述基于弯矩贡献因子的岩体细观颗粒粘结应力二维模式是指岩体细观颗粒粘结正应力二维计算公式

中设置了弯矩贡献因子基于弯矩对岩体细观颗粒二维粘结正应力的贡献程度；在上述公式中，为第i个岩体细观颗粒二维粘结正应力，分别为第i个接触的岩体细观颗粒二维粘结法向力、切向弯矩，为岩体细观颗粒二维粘结半径，为弯矩贡献因子，I为岩体细观颗粒二维粘结的惯性矩，A为岩体细观颗粒二维粘结面积，i依次为第一个至最后一个岩体细观颗粒粘结数。

更进一步地，所述基于弯矩贡献因子的岩体细观颗粒粘结时效劣化衰减的二维幂函数型模式包括在岩体细观颗粒二维粘结时效劣化衰减时，设置了与基于弯矩贡献因子的粘结应力相关幂函数型模式，这种幂函数型模式中的岩体细观颗粒二维粘结直径随时间逐步劣化衰减的，见粘结直径公式，

式中，为基于弯矩贡献因子的二维粘结法向应力，为判断岩体细观颗粒二维粘结开始时效劣化衰减时的应力阀值，为岩体细观颗粒二维粘结拉伸强度，为基于弯矩贡献因子的二维粘结应力比，β₁、β₂分别为控制岩体细观颗粒粘结时效劣化的第一控制参数、第二控制参数，为岩体细观颗粒二维粘结随时间劣化衰减的直径，为岩体细观颗粒二维粘结未衰减时的直径，Δt为岩体细观颗粒二维粘结时效衰减劣化的时间增量；设置了岩体细观颗粒粘结面积和面惯性矩时效劣化衰减二维模式，分别见粘结单位厚度为1时的岩体细观颗粒随时间劣化衰减的粘结面积A'计算公式粘结单位厚度为1时的粘结惯性矩I'计算公式其中，A、I分别为岩体细观颗粒粘结未衰减时的粘结面积和粘结惯性矩，A'、I'分别为岩体细观颗粒粘结随时间劣化衰减的粘结半径、粘结面积和粘结惯性矩，β为岩体细观颗粒二维粘结直径的幂函数型时效衰减因子，其计算公式见

式中，A'、I'、分别表示为岩体细观颗粒二维粘结随时间劣化衰减的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结直径乘数，A、I、为岩体细观颗粒粘结未衰减时的粘结直径、粘结半径、粘结面积、粘结惯性矩、粘结直径乘数；同时按照这种幂函数型时效劣化衰减模式估算岩体细观颗粒粘结破裂的初始时间步长Δt，见公式