巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的構(gòu)建和應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為巖石微元強(qiáng)度，和采用工程可靠度領(lǐng)域中常用的分布形式，即對(duì)數(shù)正態(tài)分布，作為微元強(qiáng)度的分布狀態(tài)，利用比較成熟且應(yīng)用比較廣泛的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為微元強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，同時(shí)給出該本構(gòu)模型的損傷參數(shù)A、B、C、H與圍巖壓力σ3之間的函數(shù)關(guān)系，從而使得該本構(gòu)模型可以直接采用數(shù)值計(jì)算軟件應(yīng)用于巖土工程的計(jì)算中，并且在實(shí)際的工程應(yīng)用中驗(yàn)證了效果。
【專利說明】巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的構(gòu)建和應(yīng)用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種巖石本構(gòu)模型的構(gòu)建方法，屬于巖土工程本構(gòu)模型研究領(lǐng)域，適 用于采礦、邊坡、隧道、公路、壩基等各類巖土工程本構(gòu)模型的研究。
[0002] 具體可以指導(dǎo)（1)地下采礦的安全生產(chǎn)，即在確保地面已有建構(gòu)筑物設(shè)施安全的 前提下，最大限度地科學(xué)開采地下礦產(chǎn)資源。（2)露天礦山最終境界的合理圈定，即確定合 適的坡面角和最終邊坡角，以確保在安全的邊坡環(huán)境下最大限度的回收礦產(chǎn)資源，減少剝 巖量，降低采礦成本。（3)巖土工程領(lǐng)域中其它涉及該本構(gòu)模型的相關(guān)問題。 技術(shù)背景
[0003] 巖石是一種非均質(zhì)的地質(zhì)材料，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，其研究一直是巖石力學(xué)和巖土工 程的一個(gè)重要方面，受到工程界的普遍重視。近年來許多學(xué)者從損傷力學(xué)的角度出發(fā)，考慮 巖石的損傷過程，試圖找到符合巖石全過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的本構(gòu)模型，不失為一種 較好的方法。
[0004] 本構(gòu)模型是巖土工程力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，由于本構(gòu)模型構(gòu)建不合理而導(dǎo)致巖土工程 事故、礦山資源的浪費(fèi)和巖土工程經(jīng)濟(jì)損失等時(shí)有發(fā)生。因此，深入開展本構(gòu)模型的研究是 保障巖土工程合理設(shè)計(jì)、安全施工、確保效益的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用 價(jià)值。
[0005]目前，以損傷力學(xué)作為深入研究本構(gòu)模型的一種有效的技術(shù)手段。損傷力學(xué)的研 究方法大致分為三種：金屬物理學(xué)方法、維象學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。本發(fā)明是在損傷力學(xué)的 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法下進(jìn)行研究的，統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)是研究巖石損傷本構(gòu)模型的一種有效方法。
[0006]目前在應(yīng)用統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)研究巖石損傷本構(gòu)模型中，D.Krajcinovic、唐春安等提 出從巖石內(nèi)部缺陷分布隨機(jī)性出發(fā)，采用巖石的軸向應(yīng)變作為微元強(qiáng)度，利用微元強(qiáng)度服 從Weibull分布建立巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，由于軸向應(yīng)變無法準(zhǔn)確表示微元強(qiáng)度，因而 該本構(gòu)模型具有一定的局限性；曹文貴、趙明華等探討了基于Weibull分布的巖石損傷軟 化參數(shù)與圍壓的關(guān)系，提出新的巖石微元強(qiáng)度表示法，同時(shí)采用Drucker-Prager準(zhǔn)則建立 了巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，由于Drucker-Prager準(zhǔn)則較為保守，使得采用該準(zhǔn)則建立起來 的巖石微元強(qiáng)度缺少合理性，采用該準(zhǔn)則構(gòu)建起來的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型應(yīng)用于工程計(jì) 算將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于安全。
[0007] 張明、王菲、楊強(qiáng)等人在論文"基于三軸壓縮試驗(yàn)的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型"（參見 《巖土工程學(xué)報(bào)》，2013年11月，第35卷第11期）中以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為巖石微元強(qiáng) 度，以服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布為基礎(chǔ)構(gòu)建了常規(guī)三軸壓縮條件下巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 構(gòu)建巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的方法，該方法包括以下步驟： 1) 對(duì)于巖石樣品進(jìn)行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，以獲取巖石的彈性模量E、泊松比Ii，和內(nèi)摩 擦角小試驗(yàn)參數(shù)； 2) 構(gòu)建巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，該步驟包括以下的子步驟： 2. 1)利用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則作為正六面體巖石微元強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，和微元強(qiáng)度服從對(duì)數(shù)正 態(tài)分布準(zhǔn)則，建立巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型表達(dá)式（1):
式（1)中：P 〇 2、〇 3為正六面體微元各面上的主應(yīng)力，其中〇 i為最大主應(yīng)力；〇 2為中間主應(yīng)力；O 3為最小主應(yīng)力；e i為最大主應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；D為巖石損傷變量；O為 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；
F為有關(guān)有效最大主應(yīng)力〇 A有效最小主應(yīng)力〇/、內(nèi)摩擦角小的函數(shù)，F(xiàn)表示微元強(qiáng)度； 有效應(yīng)力與主應(yīng)力及巖石損傷變量之間具有如下關(guān)系：: 〇 n/[l_D]，n = 1或3， 〇 Z表示有效應(yīng)力，〇n表示主應(yīng)力； 2.2)為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)和方便計(jì)算，忽略中間主應(yīng)力〇2的影響，將正六面體微元簡(jiǎn)化為圓 柱體微元,此時(shí)，〇3轉(zhuǎn)化為圍巖壓力,將式（1)變成下式（2):
在以上式（2)中，中間參數(shù)Ftl是微元強(qiáng)度F滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布條件下的均值，它與圍 巖壓力〇3之間存在線性關(guān)系（3): F0 = A 〇 3+B (3) 式⑶中，損傷參數(shù)A、B是Ftl與〇3之間的統(tǒng)計(jì)概率的擬合線性關(guān)系系數(shù)；和 在以上式（2)中，中間參數(shù)Stl是微元強(qiáng)度F滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布條件下的方差，它與圍 巖壓力〇3之間存在線性關(guān)系（4): S0 = C 〇 3+H (4) 式⑷中，損傷參數(shù)C、H是Stl與〇3之間的統(tǒng)計(jì)概率的擬合線性關(guān)系系數(shù)； 2. 3)根據(jù)上述關(guān)系得出巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的最終表達(dá)式（5):
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟1)是： 針對(duì)巖石樣品，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得巖石的彈性模量E、泊松比y試驗(yàn)參數(shù)； 通過室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗拉強(qiáng)度〇 t試驗(yàn)參數(shù)；通過室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，獲得 巖石的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角;以及測(cè)定巖石的密度P。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中 式（3)中的A、B是通過不同圍巖壓力〇3條件下的不同F(xiàn)tl的多組數(shù)據(jù)擬合獲得的，一 個(gè)圍巖壓力〇3對(duì)應(yīng)一個(gè)F。，不同的圍巖壓力〇3對(duì)應(yīng)的Ftl不同；和/或 式（4)中的C、H是通過不同圍巖壓力〇3條件下的不同Stl的多組數(shù)據(jù)擬合獲得的，一 個(gè)圍巖壓力03對(duì)應(yīng)一個(gè)SQ，不同的圍巖壓力〇3對(duì)應(yīng)的Stl不同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述的方法，其中
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中當(dāng)巖石損傷變量D滿足0 < D < 1的條件時(shí)，有下 式（6):
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在實(shí)驗(yàn)室做出各地質(zhì)巖層的巖石樣品在不同的圍 巖壓力〇 3(例如〇Mpa、3. 45Mpa、6. 9Mpa、13. 8Mpa、27. 6Mpa)情況下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，利
通過線性擬合的方法得出中間參數(shù)Fc^S tl，然后根據(jù)式（3) Ftl與圍巖壓 力〇3的關(guān)系采用線性擬合方法確定損傷參數(shù)A、B，和根據(jù)式（4)\與圍巖壓力〇3的關(guān)系 采用線性擬合方法確定損傷參數(shù)C、H。
7. 巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型在巖土工程中的應(yīng)用方法，該應(yīng)用方法包括以下步驟： (A) 針對(duì)巖石樣品，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得巖石的彈性模量E、泊松比y試驗(yàn)參 數(shù)；通過室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗拉強(qiáng)度〇 t試驗(yàn)參數(shù)；通過室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)， 獲得巖石的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角;以及測(cè)定巖石的密度P ; (B) 將權(quán)利要求1-6中任何一項(xiàng)的方法所獲得的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型（5)應(yīng)用于數(shù) 值計(jì)算軟件，獲得所述本構(gòu)模型的二次開發(fā)文件； (C) 根據(jù)巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)所測(cè)得的試驗(yàn)參數(shù)，按下述公式計(jì)算巖石體積模量K :
在數(shù)值計(jì)算軟件中輸入巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)所測(cè)得的單軸抗拉強(qiáng)度〇 t、粘結(jié)力c、密度 P試驗(yàn)參數(shù)； 然后應(yīng)用步驟（B)中獲得的二次開發(fā)文件進(jìn)行工程計(jì)算，獲得工程參數(shù)，和 (D) 按照步驟（C)中所獲得的工程參數(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用方法，其中數(shù)值計(jì)算軟件是FLAC'ANSYS或MIDAS，優(yōu)選 是 FLAC3d。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的應(yīng)用方法，其中數(shù)值計(jì)算軟件是FLAC3d并且在步驟（B) 中獲得所述本構(gòu)模型的二次開發(fā)文件usermohr. h和usermohr. cpp，編譯生成usermohr. dll文件并在步驟（C)的工程計(jì)算時(shí)加載。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9中任何一項(xiàng)所述的應(yīng)用方法，其中所述的工程包括：礦石開采， 優(yōu)選是地下礦產(chǎn)資源開采；或水利工程；或市政地下工程。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7-10中任何一項(xiàng)所述的應(yīng)用方法，其中所述的工程參數(shù)包括：受力 巖石在X方向的位移，y方向的位移，z方向的位移即沉降量。
12. 巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型在巖土工程中進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用的方法，該方法包括： I) 針對(duì)巖石樣品，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得巖石的彈性模量E、泊松比y試驗(yàn)參 數(shù)；通過室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗拉強(qiáng)度〇 t試驗(yàn)參數(shù)；通過室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)， 獲得巖石的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角;以及測(cè)定巖石的密度P ; II) 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一項(xiàng)所述的方法，構(gòu)建以上所述的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模 型（5); III) 將以上II)所述的方法構(gòu)建的所述本構(gòu)模型（5)應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算軟件，獲得所述 本構(gòu)模型的二次開發(fā)文件； IV) 然后應(yīng)用該文件進(jìn)行工程計(jì)算，獲得工程參數(shù)；和 V) 按照步驟IV)中所獲得的工程參數(shù)進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104361211SQ201410577627
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】房智恒, 王李管, 鄧星良, 熊張友, 彭慶國(guó), 蔣江晨, 賀兵紅, 王寶山, 蔣權(quán), 凡家杰 申請(qǐng)人:中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司