[发明专利]平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法

摘要

本发明涉及平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法将断裂力学中裂隙引起的附加应变能增量与损伤力学应变能释放量相关联，并引入非贯通裂隙扩展准则，提出考虑外力时的裂隙岩体损伤变量的计算公式；最终得到能够同时考虑裂隙参数(内因)及受力条件(外因)的非贯通裂隙岩体损伤张量的计算方法，进而建立相应的损伤本构模型。本发明考虑外力的情况适用于更为一般的应力状态(即不仅包含正应力还包含剪应力，同样也适用于单轴或双轴这种仅包含正应力的应力状态)对岩体损伤变量带来的影响，克服了现有技术中关于外力对裂隙引起的岩体损伤变量计算中仅考虑双轴压力下岩体损伤变量计算，即围压对岩体损伤变量的影响的不足。

主权项

1.一种平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的构建方法，该方法包括以下步骤：1)采用应变能密度准则判断裂隙扩展，即认为当非贯通裂隙尖端翼裂纹应变能密度S大于最小应变能密度Sc时，尖端翼裂纹开始扩展；当S≤Sc时，非贯通裂隙未发生扩展，非贯通裂隙未发生扩展则进入步骤2)；2)计算裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量：同时考虑内因即岩石试件及裂隙条件、和外因即外力对岩体损伤张量的影响，来计算岩体损伤变量；根据断裂力学，对于平面问题，弹性体因裂隙存在而引起的附加应变能增加量U1为式(1)：式中：G为能量释放率；KⅠ、KⅡ分别为裂隙尖端的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子；A为裂隙表面积；在平面应力状态下E′＝E；在平面应变状态下E′＝E/(1‑ν2)，其中，E、υ分别为弹性模量及泊松比；非贯通裂隙岩体在平面压剪应力状态下，其损伤应变能释放率Y为式(2)：其中：σ_m、σ_eq分别为静水压力和等效应力；由于为平面问题，因此σ_x、σ_y和τ_xy分别为x、y方向上的正应力及xy平面内的剪应力；D为裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量；若UE表示试件的单位体积弹性应变能，那么在平面应力状态下其可表示为：UE＝‑(1‑D)Y    (3)把式(2)代入式(3)可得式(4)：当岩体内不含裂隙时，则D＝0，此时式(4)变为式(5)：因裂隙存在而引起的单位体积弹性应变能改变量为式(6)：假设研究对象的体积为V，弹性体因裂隙存在而引起的弹性应变能改变量为式(7)：式(7)中的ΔU和式(1)中的U1都是由裂隙存在而引起的弹性应变能改变量，二者应相等，即：ΔU＝U1           (8)进而得出裂隙在垂直方向上引起的岩体损伤变量的表达式为式(10)，其中KⅠ、KⅡ为与裂隙长度、裂隙内摩擦角、裂隙粘聚力、裂隙法向及切向刚度相关的应力强度因子；3)将各种受力情形下的非贯通裂隙尖端的相应应力强度因子，代入式(10)即可得到非贯通裂隙导致的岩体在垂直方向上的损伤变量，进而通过张量化即可得到相应的损伤张量；完成平面压剪应力下非贯通裂隙岩体损伤本构模型的建立。